枣庄学院丛海林校长/于延新&南京大学金钟&南京邮电大学王师,最新AFM!三合一多分子协同工程助力共价七嗪框架实现稳健高倍率钠离子存储!

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氮化碳（CNs），尤其是石墨相氮化碳（g‑C₃N₄），因其优异稳定性和Na⁺存储潜力，在钠离子电池（SIBs）电极领域展现出巨大潜力。然而，CNs固有的低导电性和活性不足阻碍了其同时实现高容量和高稳定性。

2026年01月22日，枣庄学院丛海林校长、于延新团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Transcending Conventional Carbon Nitrides: Three-in-One Multi-Molecular Synergy Engineering in Covalent Heptazine Framework Unlocks Roust High-Rate Sodium-Ion Storage”的研究论文，于延新为论文第一作者，于延新、丛海林、南京邮电大学王师、南京大学金钟为论文共同通讯作者。

第一作者：于延新

通讯作者：于延新、丛海林、王师、金钟

通讯单位：枣庄学院、南京邮电大学、南京大学

论文DOI：10.1002/adfm.202529540

该研究提出了一种多功能活性调控策略，通过活性连接体将七嗪与功能性导电模块集成，以应对上述挑战。其范例是合理设计了一种苯并噻二唑与炔基双功能化的共价七嗪框架（BTA‑CHF）。这种通过炔基桥形成的共价连接，构建了一个充满多个Na⁺存储位点的全电子导电骨架。因此，作为SIBs负极，BTA‑CHF展现出创纪录的高性能：优异的容量（0.1 A g⁻¹时为912.1 mAh g⁻¹）、出色的倍率性能（10.0 A g⁻¹时为273.8 mAh g⁻¹）和卓越的循环性能（10 A g⁻¹下20 000次循环后容量保持率约93.9%）。值得注意的是，BTA‑CHF/Na₃V₂(PO₄)₃全电池在0.1 A g⁻¹时展现出836.8 mAh g⁻¹的显著容量，在10 A g⁻¹时具有166.9 mAh g⁻¹的卓越高倍率性能，且在10 A g⁻¹下循环1000次后仍能保持143.2 mAh g⁻¹的容量。该研究展示了一种为高效SIBs设计先进CNs电极的新方法。

由于钠资源丰富且成本效益高，钠离子电池（SIBs）正逐渐成为锂离子电池（LIBs）的一种有前景的替代品，以满足日益增长的便携式设备需求。在工作机理方面，SIBs与LIBs非常相似。因此，大量研究致力于将LIBs中成功的材料适配于SIBs。然而，诸如石墨等负极材料不能直接应用于SIBs，因为Na⁺离子的离子半径大于Li⁺离子。其他非碳选择，如合金和过渡金属化合物，则因其巨大的体积形变导致循环性能差而被排除在SIBs应用之外。因此，探索高效的SIBs负极材料至关重要。

氮化碳（CNs）凭借其富含缺陷的多孔结构和高氮含量，作为SIBs的电极候选材料受到了广泛关注。在CNs中，研究主要集中在石墨相氮化碳（g‑C₃N₄）上。理论研究证实，g‑C₃N₄具有524 mAh g⁻¹的Li⁺存储容量，从而暗示了其Na⁺存储潜力。然而，由于CNs固有的问题：导电性差、化学惰性以及不可逆Na⁺嵌入机制，g‑C₃N₄在SIBs中表现出低可逆容量和不足的循环稳定性。迄今为止，已尝试了许多策略来调控其特性，例如杂原子掺杂和复合材料形成。然而，这些策略仅对Na⁺存储性能带来了部分改善。虽然杂原子掺杂可以通过在g‑C₃N₄中用金属或非金属原子取代碳原子来产生表面缺陷，从而增强电荷传输，但其仍受不可逆嵌入机制导致的较差可逆容量所困扰。尽管复合技术与纯g‑C₃N₄相比提高了比容量，但由于g‑C₃N₄与添加组分之间的界面接触差，倍率性能仍不理想。更糟糕的是，在复合材料中，g‑C₃N₄通常仅作为基底，而复合物贡献了更多容量。也就是说，这些策略未能有效调控g‑C₃N₄的电子结构，而这是其Na⁺存储性能差的根本限制。迄今为止，开发超越g‑C₃N₄的新型CNs用于高效SIBs仍然极具挑战性。

事实上，很少有人关注化学结构修饰，这种修饰可以精确调整CNs框架的本征电子特性，从而为Na⁺存储带来全新的物理化学性质。CNs的根本局限在于其内在缺陷，即七嗪结构单元主要通过电绝缘的叔氮节点相互连接。这一关键缺陷切断了整个网络中的关键π-共轭路径，并限制了有效氧化还原活性位点的可利用性，从而严重损害了电荷传输和Na⁺存储容量。用功能性的π-电子模块取代这些绝缘叔氮节点，可以在整个网络中建立连续的共轭，同时引入多个活性位点，从而增强导电性和Na⁺存储性能。

基于这些考虑，该研究提出了一种“三合一”协同策略，集成多个活性模块以构建用于高效SIBs的新型CNs，并设计了一种由苯并噻二唑与炔基基团协同调控的共价七嗪框架（BTA‑CHF）作为概念验证。在BTA‑CHF中，活性炔基作为桥梁，将苯并噻二唑和七嗪核心共轭连接成一个周期性结构。这既增强了电子传导，也提高了Na⁺存储性能。理论评估表明，七嗪、苯并噻二唑和炔基的中心不仅能显著提高导电性，还能作为丰富的Na⁺存储氧化还原活性位点，从而展现出高达920.0 mAh g⁻¹的优异理论比容量。更重要的是，苯并噻二唑‑炔基‑七嗪框架中深度扩展的共轭将BTA‑CHF的带隙降低至1.60 eV，表明电子导电性增强。因此，以BTA‑CHF为负极组装的SIBs验证了创纪录的高性能：优异可逆容量（0.1 A g⁻¹下为912.1 mAh g⁻¹）、高倍率性能（10.0 A g⁻¹下为273.8 mAh g⁻¹），以及在10.0 A g⁻¹下经20000次循环后容量衰减小于7%的卓越循环性能。值得注意的是，BTA‑CHF//Na₃V₂(PO₄)₃全电池在0.1 A g⁻¹时展现出836.8 mAh g⁻¹的显著可逆容量，在10 A g⁻¹时具有166.9 mAh g⁻¹的卓越高倍率性能，并且在10 A g⁻¹下循环1000次后仍能保持143.2 mAh g⁻¹的容量。该研究为开发用于SIBs的高性能CN基电极开辟了新途径。

示意图1 | 阐释了用于高效Na⁺存储的新型氮化碳（CNs）的“三合一”多功能协同调控策略，以及首个概念验证——苯并噻二唑与炔基功能化共价七嗪框架（BTA‑CHF）设计。

图1 | BTA‑CHF的理论计算示意图：(a) 分子静电势模拟。(b) 价带顶。(c) 导带底。(d) 能带结构和态密度。(e) BTA‑CHF与g‑C₃N₄的能带排列。

图2 | BTA‑CHF的合成与结构表征。(a) BTA‑CHF合成示意图。(b) HEP‑Cl、DT‑BTD和BTA‑CHF的FT‑IR光谱。(c) BTA‑CHF的实验和精修PXRD曲线。(d) 基于AA堆积的模拟BTA‑CHF模型的俯视图和侧视图。（对于FT‑IR和PXRD，每个样品测量了三次）。

图3 | BTA‑CHF的一系列电化学性能：(a) 扫描速率为1.0 mV s⁻¹时最初三个循环的CV曲线。(b) 电流密度为0.1 A g⁻¹时最初三个循环的放电/充电曲线。(c) 电流密度在0.1至10.0 A g⁻¹范围内的倍率性能。(d) 电流密度为10.0 A g⁻¹时的长循环性能。(e) BTA‑CHF与依赖于氧化还原活性位点的其他电极的性能比较。(f) 两个代表性阴极/阳极峰对（1.60/0.43和1.05/1.61 V）的b值。(g) 扫描速率在0.2至1.0 mV s⁻¹范围内电容主导扩散过程的贡献比例。（这些电化学性能均通过三次平行实验测试以排除异常值）。

图4 | 通过结构演化研究BTA‑CHF的钠化/脱钠机理：(a) BTA‑CHF在电流密度为0.1 A g⁻¹时的放电和充电曲线。(b) 在(a)中的放电/充电过程中，不同电压点记录的FT‑IR光谱。(c,d) 不同钠化/脱钠状态下BTA‑CHF的C 1s和N 1s XPS谱图。(e) BTA‑CHF钠化/脱钠机理示意图。（机理研究的FTIR和XPS表征来自两个处于相同状态的电池）。

图5 | BTA‑CHF钠化/脱钠机理的理论研究：(a) BTA‑CHF提出的钠化/脱钠路径。(b) 钠化/脱钠过程中BTA‑CHF的结构评估。

总之，该研究提出了一种“三合一”多功能调控策略，为高性能SIBs构建具有定制电子结构的新型CNs，并开发了苯并噻二唑与炔基协同调控的共价七嗪框架（BTA‑CHF）作为首个概念验证。在BTA‑CHF中，炔基单元作为π电子桥连接活性苯并噻二唑和七嗪结构单元，从而在整个周期性框架中构建了电子传导网络。超越g‑C₃N₄等CNs，BTA‑CHF具有更强的共轭深度、多氧化还原活性中心，特别是无与伦比的本征电子结构。这些特性共同促成了其卓越的导电性和全面的Na⁺存储性能。受益于这些优点，BTA‑CHF作为SIBs电极展现出前所未有的性能：优异的可逆容量（0.1 A g⁻¹下912.1 mAh g⁻¹）、出色的倍率性能（10.0 A g⁻¹下273.8 mAh g⁻¹），以及在10.0 A g⁻¹下经历20000次循环后容量衰减小于7%的卓越循环性能。值得注意的是，BTA‑CHF//Na₃V₂(PO₄)₃全电池在0.1 A g⁻¹时展现出836.8 mAh g⁻¹的显著可逆容量，在10 A g⁻¹时具有166.9 mAh g⁻¹的卓越高倍率性能，并且在10 A g⁻¹下循环1000次后仍能保持143.2 mAh g⁻¹的高容量。这些结果凸显了开发具有增强导电性和高效氧化还原活性的CNs的重要性。该研究为SIBs中的高性能CNs提供了新设计范式，同时将扩展依赖于氧化还原活性结构单元的电极材料家族。