磷摻雜是調控炭材料表面性能的重要手段，在能源存儲與轉化領域受到廣泛關注。近期，中科院煤化所陳成猛團隊在磷摻雜炭材料表面化學機制研究方面取得進展。前期工作中，該團隊以無煙煤為原料，通過磷酸活化合成了介孔炭材料。研究發現磷酸在活化造孔的同時，還具有同步摻磷的作用，其摻雜量達0.49wt%，這種磷雜多孔炭在應用于超級電容器時，其在Et₄NBF₄/PC有機電解液中的電壓窗口可從2.7V擴大到3.0V，且展示出優異的循環穩定性（Electrochimica Acta. 2018, 266, 420-430）。然而在上述過程中，磷原子對炭材料的摻雜機制、含磷官能團的存在形式及演變規律、其與電化學性能間的構效關系等尚不清晰。而煤基多孔炭的結構復雜性，也給上述共性科學問題的研究帶來挑戰。 

　　石墨烯作為炭材料的基本結構單元，具有典型的二維結構，本團隊以其為簡化的研究模型，探究了炭材料表面磷物種的摻雜、演變及作用機制。作者以部分熱還原的氧化石墨烯為原料，先通過H₃PO₄進行高溫活化，而后在高溫惰性氣氛下作鈍化處理，得到一系列磷雜石墨烯樣本。研究表明，經高溫處理后，碳晶格中的含磷官能團從不穩定的C-O-P和C₃-P構型向穩定的C-P-O和C₃-P=O構型轉變。作者結合第一性原理計算，進一步證明了C₃-P=O是石墨烯晶格上所有磷構型中最穩定的，它對穩定電極/電解液電化學界面起到了最關鍵的作用。因此，摻磷石墨烯在水系電解液中的電壓窗口可從1.0V擴展到1.5V，且自放電和漏電流被明顯抑制。該工作為面向應用的炭材料表面結構設計提供了理論依據，對于炭材料在儲能、催化和環保等領域的應用開發也具有參考價值。相關研究成果近期已在線發表在ACS Applied Materials & Interfaces.雜志上 (DOI:10.1021/acsami.8b21903)，論文第一作者為碩士研究生畢志宏，通訊作者為陳成猛研究員、謝莉婧副研究員。