山西煤化所陈成猛课题组在磷掺杂碳材料表面化学机制研究方面取得进展

 磷掺杂炭材料因其提高的耐压性和稳定的电化学界面，在能源存储与催化转化等领域得到了广泛关注。然而，常规炭材料（如：活性炭、生物质炭、碳纤维，石墨等碳材料）由于其复杂的孔道结构，丰富的含氧官能团，使掺杂的大量磷物种很容易被自发地包埋于碳基体相中，导致磷物种的不充分暴露和差的可获得性，致使大家对于碳晶格中磷物种的存在形式，结构演变规律和作用机制的认识尚不清楚。所以磷掺杂的工作机制仍有待深入研究。

最近，中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室陈成猛老师课题组在磷掺杂碳材料表面化学机制研究取得进展。选择二维石墨烯，作为所有sp2杂化碳同素异形体的简化模型，用来探索P掺杂碳材料的表面化学机制方面的共性问题。主要采用具有少量残余含氧官能团的热还原氧化石墨烯为载体，先以H3PO4进行活化，然后在跟高温度下钝化处理，得到不同处理条件下的磷掺杂石墨烯。通过FT-IR， XPS，XRD和拉曼光谱等表征手段，系统研究了热处理过程中碳晶格中磷物种的存在形式和结构演变规律。而且通过第一性原理计算进一步证明 C3-P=O构型为石墨烯晶格中最稳定存在的结构形式，并且在稳定电极和电解质之间的电化学工作界面中起到了关键作用。正是这些特征使得P掺杂石墨烯的电极能够在水性电解质中将工作电位窗口拓宽至高达1.5V，而且显着改善循环稳定性和拥有超低的漏电流。因此，这一工作为设计并优化磷掺杂碳材料表面磷物种以实现在电催化，能源相关领域的应用提供了新的见解。相关成果已发表在ACS Applied Materials & Interfaces.(DOI:10.1021/acsami.8b21903)