大连化物所制备出二维硼氮碳纳米筛用于构筑高比能微型超级电容器

　　近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队与澳大利亚迪肯大学教授类伟巍团队合作，制备出一种二维硼氮碳纳米筛材料，通过缺陷调控构筑出高比能微型超级电容器，并揭示了此电容器的储能机理。

二维硼氮碳纳米筛的示意图（a）；高分辨TEM照片（b）。单层纯碳结构（Pure-BCNN）、微孔碳结构（Pore-BCNN）、氮掺杂碳结构（N-BCNN）和硼氮掺杂碳结构（BN-BCNN）的量子电容（c）；理论电容（d）。

　　微型超级电容器具有功率密度高和寿命长的优势，可作为柔性电子设备的微型供电电源。然而，微型超级电容器受限于双电层电极材料的比容量，导致器件的能量密度普遍不高。开发具有赝电容特性的二维碳材料被认为是一种具有前景的提升能量密度的方法，然而这类材料很少作为高能量密度微型电容器的电极材料，并且其储能机理尚不明确。

　　本工作中，合作团队可控地制备出一种二维硼氮碳纳米筛（BCNN）高性能电极材料，并以此构筑出高能量密度微型超级电容器（BCNN-MSCs）。合作团队通过调控二维硼氮碳纳米筛的缺陷程度，可有效调控BCNN-MSCs的面电容从30.5mF/cm²到80.1mF/cm²；当使用离子液体凝胶电解质时，BCNN-MSCs的能量密度可达到67.6mWh/cm³；通过理论计算进一步揭示了缺陷调控的机理，验证了微孔和硼氮原子掺杂协同提升了整体的量子电容，从而大幅度提高了整体电容；通过计算理论总电容，揭示了在低电压下微孔可以提高电容量，在较高电压下掺杂硼和氮可以提高电容。该策略为制备新型二维赝电容特性的碳材料提供了一种新思路。

　　相关研究成果以“Tailoring the defects of Two-dimensional Borocarbonitride Nanomesh for High Energy Density Micro-supercapacitor”为题发表在Energy Storage Materials上。该工作的第一作者是大连化物所博士后张良柱。上述工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.041