碳基導電添加劑是在儲能領域和電催化領域廣泛使用的一種增強電極材料穩定性和導電性的添加劑。目前市面在售的像科琴黑，Super P，乙炔黑等導電添加劑雖然具有較高的導電性，但往往其添加體積較大，不可避免的損失活性材料的容量、體積及面能量密度等。因此，制備一種兼具高導電性的活性電極材料極為重要。在眾多的研究中，研究學者普遍認為，對于碳基材料，其石墨化程度越高，導電性也越高。除此之外，也有研究表明，通過雜原子摻雜改變費米能級附近的電荷離域和供體態密度也能提高碳基材料的導電性。但在碳基材料的制備過程中，較高的石墨化程度往往需要在高溫下進行碳化，這也意味著雜原子摻雜的含量會越來越少，雜原子摻雜帶來的導電性的提升也是有限的。

鑒于此，我校化材學院的金輝樂教授和李俊教授課題組采用了一種原位溶劑熱脫鹵聚合的方法，通過平衡石墨化程度和雜原子摻雜含量，在1000 ℃的碳化溫度下制備了一種sp2/sp3氮摻雜化活性碳材料，其本身既可以作為導電劑（如圖1所示，該工作設計的氮摻雜碳具有1.14×104 S m-1的超高電導率，這比目前廣泛使用的科琴黑等導電添加劑高出了三倍以上），也可以作為超級電容器電極的活性儲能材料，該工作通過控制氮摻雜在sp2和sp3碳上雜化位點的調變及摻雜量的優化，制備了一種具有超高導電性的氮摻雜碳基導電-儲能一體化材料。

圖1：不同碳化溫度下NOC的結構表征。(a) 拉曼光譜；(b) XRD圖譜；(c) 氮吸附/解吸等溫線；(d) 孔徑分布；(e) NOC1000與商業材料的電導率比較；(f) XPS圖譜。

理論上，氮摻雜的碳基材料可以與氮原子中的孤對電子結合，產生活性位點，提供法拉第電容，從而提高碳材料的電導率和電荷存儲活性。在本項工作中，作者系統研究了不同的氮摻雜類型以及sp2和sp3雜化的氮摻雜含量對超電儲能性能的影響，并進一步分析了在不同碳化溫度下，氮摻雜對sp2/sp3碳雜化的影響。同時，為了解釋這種超高導電性的來源，本文共同一作湘潭大學的粟勁蒼副教授利用基于DFT的第一性原理計算，理論模擬了未摻雜以及不同氮雜化位點的sp2/sp3碳基材料的電子能帶結構和態密度，證明了sp2/sp3氮摻雜導致的額外電子和費米能級轉移，從而帶來了n型電導，進一步證實sp2碳的重要性以及氮摻雜在提高sp2/sp3雜化碳基材料電導率方面的積極作用。

圖2: sp2/sp3雜化碳的原子結構、電子能帶結構和態密度

如圖3所示，該工作還嘗試制備了柔性全固態超級電容器以及袋式超級電容器，由于不需要加入大量的商業導電炭黑，兩種器件的性能評價均表現出較高的面功率和面能量密度。

圖3：柔性全固態超級電容器性能示意圖

本文采用原位聚合和溶劑熱碳化法制備了高導電性的氮摻雜多孔碳片和碳球復合材料。該合成方法為超高導電性碳的設計開辟了新途徑，其導電性超過了商品化碳導電劑的3倍以上。總之，這種新型的高導電性雜原子摻雜多孔碳材料在許多其他能源存儲和轉換系統 (如燃料電池和堿金屬電池)中可以同時充當活性中心和導電劑，作為“一體”的儲能和轉化材料，這對實現低碳能源技術提供重要支撐。

相關論文“Highly conductive nitrogen-doped sp2/sp3 hybrid carbon as a conductor-free charge storage host”（ DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202209201）發表在國際頂級期刊Advanced Functional Materials 上，溫州大學為第一通訊單位，化學與材料工程學院2019級研究生王祺為第一作者，我校金輝樂與李俊教授為該論文共同通訊作者。