杂原子掺杂碳材料（HDCMs）已被广泛用于电池、超级电容器（SCs）和ORR等领域中。在过去的几年里，人们通过将不同的杂原子集成到不同纳米结构的碳中，已开发出各种无金属的杂原子掺杂碳复合材料，包括单原子掺杂（N，P，B，S等）到多杂原子掺杂（N/P/S或N/S/B等）。

近日，北京理工大学吴川教授，白莹教授首次系统总结了用于电池，SCs和ORR中的HDCM的相关功能，并为设计具有更高性能的材料提供了指导。

文章要点

1）通过控制含杂原子原料的含量和种类，不仅可以调整材料的物理化学性质，而且可以通过控制形貌来增加材料的比表面积和孔容，从而提高材料的电化学性能。作者总结了HDCMs的发展历史，包括合成方法、掺杂（杂原子掺杂位置和掺杂量）与性能的关系、反应机理和评价体系。此外，作者还提出并研究了氧掺杂的重要作用，以提醒研究人员不能忽略氧在改善材料性能方面的作用。

2）作者最后提出了用于电池，SCs以及ORR的HDCMs仍面临的挑战以及发展方向。对于电池：i）通过提高杂原子含量来提高比容量；ii）精确控制杂原子掺杂，在不牺牲比容量和倍率性能的情况下提高库仑效率；iii）更先进的原位表征技术，以揭示电池的储能机制。对于SCs：i）提高杂原子含量以提高比电容；ii）选择合适的杂原子，在不牺牲比电容的情况下扩大势垒窗口，以进一步提高能量密度；iii）更先进的原位表征技术来研究HDCMs的结构和储能过程中的离子动力学过程；iv）探索HDCMs在更多类型的低成本金属离子电容器中的应用，如钠离子电容器和铝离子电容器。对于ORR：i）准确理解掺杂剂是如何通过调整有效缺陷的电子结构来促进ORR；ii）对于杂原子修饰的碳材料，杂原子对ORR的影响尚不清楚；iii）先进的分析方法与理论计算相结合将是更好地理解反应机理的主要手段。

参考文献

Xin Feng, et al, Untangling Respective Effects of Heteroatom-doped Carbon Materials in Batteries, Supercapacitors and ORR to Design High Performance Materials, Energy Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/D1EE00166C

https://doi.org/10.1039/D1EE00166C