硫掺杂富氮碳纳米片用作高性能钠电负极材料
碳基材料由于资源丰富、价格低廉同时又环境友好被视为最具发展潜力的钠离子电池负极材料，硬碳、炭黑、碳纤维、石墨烯等相继见诸报端。不幸的是，大多数碳材料在不同程度上存在首次库伦效率低和循环性能差的问题，而杂环原子 (例如 B,N,S,P) 的掺杂可改善上述问题，因为它能提高导电性，同时又能引入结合钠离子的活性位点，氮掺杂的碳基材料被广泛研究并在作为钠电负极时展现出重大进步。
与氮相比，硫拥有更大的原子尺寸和更小的电负性，掺杂时更有利于增大层间距、引入活性位点、增强碳基材料的电学性能。从双元素掺杂的协同效应的角度来看，N/S 共掺杂是实现高导电性和扩大层间距的有效方式。但是，通常用含硫的前驱体作为硫源，仅能通过扩大层间距来提高钠的嵌入，不能提供额外的的法拉第反应来进一步提高储钠容量。
图 1 硫掺杂的示意图
为解决此类问题，南开大学周震教授团队采用了一种完全不同的方式进行硫掺杂——在 H2S 气氛下热处理富氮碳纳米片。
该方式利用气-固反应直接将吡咯 N 取代为 S，通过形成 -C-S-C- 键的形成来提高 S 的利用率 (如图 1 所示)，增大层间距的同时 (图 2) 提供更多的活性位点来满足高度可逆的储钠反应，因此该氮硫共掺杂的多孔碳纳米片 (S-N/C) 用作钠电负极时展现出高容量和优异的倍率性能。
图 2 氮硫掺杂对碳材料层间距的影响
从 S-N/C 的 CV 中可以看出，与 N/C 相比，S-N/C 在 1.05V 有一个还原峰，对应 Na+ 与连结在碳基底上的 S 之间的反应，在 1.8V 有一个氧化峰，表明 S-N/C 的部分容量是由 Na+ 与 S 之间的法拉第反应贡献。在 50mA/g 的电流密度下，稳定容量可保持在 350mAh/g 左右，即使电流密度提高到 10A/g，容量仍可维持在 110mAh/g 左右，展现出优异的倍率性能。
图 3 S-N/C 电化学性能
上述成果发表于 AdvancedMaterial
Yang J, Zhou X, Wu D, etal. S〥oped N㏑ich Carbon Nanosheets with Expanded Interlayer Distance as AnodeMaterials for Sodium㊣on Batteries[J]. Advanced Materials, 2016.
DOI:10.1002/adma.201604108
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