一种性能优异的新型超级电容器材料：Nb4N5纳米孔薄膜

未来便携式电子设备和电动汽车急需各种高效电源，正在发展中的超级电容器是一种拥有美妙前景的储能装置，兼为学术界和工业界所青睐。常见的超级电容器电极材料主要包括 RuO₂、MnO₂、NiO等过渡金属氧化物、碳材料、以及导电聚合物材料。近年来，过渡金属氮化物（TiN、VN、WN、Mo₂N等）作为超电材料的研究不断见诸报道，基于低成本、优良的电化学性能、高摩尔密度、良好的电化学稳定性等优点，有望成为优质的器件电极材料，应用于下一代超级电容器储能电源。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所和北京大学合作研究，崔厚磊博士、黄富强教授等研究者发现了一种全新的超级电容器性能优异的氮化铌电极材料—Nb₄N₅纳米孔薄膜。Nb₄N₅属于四方晶系的I4/m空间群，为一种富含Nb空位缺陷的NaCl型结构，从未被用作储能材料。其制备过程简单，只需对Nb箔在适当条件下进行阳极氧化，随后在NH₃气氛中热处理，即可制备出高度有序的Nb₄N₅纳米孔阵列。XPS分析结果表明Nb₄N₅同时包含Nb³⁺和Nb⁵⁺，混合价态阳离子的存在不仅产生了法拉第赝电容，而且导致了良好的类金属的导电性。在1 M H₂SO₄电解液中，0.5 mA cm 的电流密度下获得了226 mF cm^-2的面电容量，远高于类似Nb₂O₅电极的0.2 mF cm^-2，也达到了金属氮化物纳米结构薄膜电极的最高水平。电流密度增大到10 mA cm^-2时，仍可保留为137 mF cm^-2说明了良好的倍率性能。此外通过多巴胺的聚合、碳化，在Nb₄N₅纳米孔薄膜电极的包覆了超薄碳膜，显著改善了循环稳定性，2000个循环伏安周期后电容保留率提高到接近100%。研究表明，碳包覆的Nb₄N5纳米孔薄膜可以组成双电极对称器件，具有良好的实际应用潜力。

Nb₄N₅纳米孔薄膜还可作为良好支撑体来沉积其他活性材料，组成复合电极；还有望应用于其他能源相关的应用中。该材料制备方法简单可靠，形貌结构优异，电化学性能优越，可以推广至Ti、W、Zr、Nb和Ta等体系中，为开发设计新型的氮化物、氧氮化物超电电极材料提供了良好思路。相关结果发表在Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.201500126)。

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