1成果簡介

超級電容器因其超快充放電速率、超長循環壽命和高功率密度等優勢，在儲能領域占據重要地位。然而，如何設計兼具高比表面積、豐富活性位點、快速離子擴散通道和優異導電性的碳基電極材料，仍是實現高性能超級電容器的核心挑戰。多孔碳納米片具有短的離子擴散距離和低的離子擴散阻力，是極具潛力的超級電容器電極材料。

本文，東北林業大學吳小亮教授、北京生命科學學院Faliu Yang等在《Advanced Sustainable Systems》期刊發表名為"Nitrogen and Boron Co-Doped Porous Carbon Nanosheets for High Performance Supercapacitor"的論文。該研究提出了一種簡單高效的靜電自組裝-碳化策略：以聚丙烯酰胺（PAM）和氧化石墨烯（GO）為前驅體，通過正負電荷間的靜電自組裝構建層狀復合前驅體，再以氨硼酸（ammonia borate）為氮/硼雙源摻雜劑，經高溫碳化成功制備了氮/硼共摻雜多孔碳納米片（NBPC-800）。

PAM的豐富含氮官能團（—NH?、—C=O）與GO表面的含氧官能團（—COOH、—OH）通過靜電相互作用緊密結合，在碳化過程中原位形成N/B共摻雜的二維多孔碳骨架。氨硼酸同時作為N/B源和造孔劑，在熱分解過程中釋放氣體（NH?、BH?等）原位刻蝕產生豐富的微/介孔。優化后的NBPC-800碳納米片具有獨特的二維多孔結構、高比表面積和豐富的氮/硼官能團，在0.5 A g?1下展現出330.3 F g?1的高比電容及優異的電化學穩定性，構建的NBPC-800//NBPC-800對稱超級電容器實現了24.9 Wh kg?1的能量密度。

2圖文導讀

圖1、(a) SEM image of NBPC-800. (b) TEM image of NBPC-800. (c) SEM image of NBPC-800, and corresponding elemental mapping images of C (d), O (e), N (f), B (g).

圖2、(a) XRD patterns of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900. (b) Raman spectrum of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900. (c) XPS survey spectrum of NBPC-800. (d) N 1s spectra of NBPC-800.

圖3、(a) N2 adsorption/desorption isotherms of NBPC-700, NBPC-800 and NBPC-900. (b) Pore sizes distribution of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900.

圖4、(a) CV curves of NBPC-800 at different scan rates. (b) GCD curves of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900 at 1 A g?1. (c) GCD curves of NBPC-800 at various current densities. (d) Specific capacitances of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900 at different current densities. (e) Nyquist plots of NBPC-700, NBPC-800 and NBPC-900. (f) Electrochemical stability of NBPC-800 for 10000 cycles.

圖5、(a) CV curves of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at different voltage ranges. (b) CV curves of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at different scan ranges. (c) GCD curves of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at various current densities. (d) Specific capacitances of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at different current densities. (e) Ragone plots of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor. (f) Electrochemical stability of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor for 10000 cycles.

3小結

總而言之，該工作提出了一種基于聚丙烯酰胺（PAM）與氧化石墨烯（GO）靜電自組裝的簡便策略，結合氨硼酸N/B雙源摻雜，成功制備了氮/硼共摻雜多孔碳納米片（NBPC-800）。PAM與GO之間的靜電相互作用確保了前驅體的均勻復合，氨硼酸的分解實現了N/B原位共摻雜與同步造孔。優化后的NBPC-800兼具二維納米片形態、分級多孔結構、高比表面積和豐富的N/B活性位點，在三電極體系中實現了330.3 F g?1（0.5 A g?1）的高比電容和優異的電化學穩定性，構建的對稱超級電容器展現出24.9 Wh kg?1的能量密度。該工作為通過高分子靜電自組裝-雜原子共摻雜協同策略設計高性能碳基超級電容器電極材料提供了一種簡單、高效、可擴展的新思路。

文獻：
https://doi.org/10.1002/adsu.70479Digital Object Identifier (DOI)

來源：材料分析與應用