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文 章 信 息
高效构建Bi2O3/C与B-rGO/非晶NiCoB电极：MOF衍生碳骨架原位活化策略助力高性能非对称超级电容器
第一作者：孙鑫
通讯作者：吴尚*，杨全录*
单位：西北民族大学
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研 究 背 景
超级电容器因其高功率密度和长循环寿命在储能领域备受关注，然而其较低的能量密度限制了更广泛的实际应用。尽管传统过渡金属化合物具有高理论容量，却一直受限于体积膨胀和导电性差等问题。为解决这些挑战，研究热点逐渐转向开发新型复合电极材料，通过精细的结构设计与界面工程以全面提升其电化学性能。其中，金属有机框架（MOF）衍生材料凭借可调控的孔结构、高比表面积和良好的导电性，成为提升超级电容器性能的研究热点。在此背景下，本研究以Bi-MOF作为负极材料的前驱体，在高温处理过程中既有效保留了其规整结构，又通过原位活化策略进一步提升了材料的孔隙率，最终形成 Bi2O3/C 三维分层多孔结构。正极材料方面，采用一步法同步还原/掺杂策略，成功制备出具有三维导电网络的B-rGO/NiCoB复合材料，该策略不仅简化了实验流程，并且同步实现了金属离子的还原及rGO的硼掺杂。通过对正负极材料的协同结构设计，本研究有效改善了电极材料的孔隙结构和导电性，同时有效的缓解了材料的体积膨胀。这为未来超级电容器电极材料的开发与结构优化提供了新思路，有助于推动高性能超级电容器的发展。
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文 章 简 介
近日，来自西北民族大学吴尚教授“新型能源材料与绿色催化团队”，孙鑫以第一作者在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表题为“The construction of high-performance asymmetric supercapacitors by Bi-MOF-derived carbon skeleton with in situ activated Bi2O3/C and B-rGO/amorphous NiCoB ”的科研论文。本研究以具有规则晶体结构的Bi-MOF为模板，通过溶剂热与高温热解策略，构建了Bi2O3/C复合分层多孔结构负极材料。该负极材料利用MOF模板衍生出的三维导电碳骨架有效抑制了活性物质的体积膨胀，并通过原位活化效应优化了孔道结构与表面性能。正极材料则通过一步原位同步还原/硼掺杂策略，制备了硼掺杂rGO负载非晶NiCoB的复合材料。KBH₄的双重功能实现了还原与掺杂的同步进行，以及非晶合金与三维导电基底的协同增强效应。基于上述正负电极组装的非对称超级电容器展现出良好的能量密度与循环稳定性，证明了该材料设计策略在高性能储能器件中的应用潜力。该文章受到国家自然科学基金、甘肃省重点研发计划、西北民族大学创新团队建设项目、中央高校基本科研业务费的经费支持。
图1. 高性能B-rGO/NiCoB//Bi2O3/C 不对称超级电容器的构建示意图。
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本 文 要 点
要点一：Bi2O3/C与B-rGO/NiCoB的结构设计
图 2. (a) Bi-MOF, (b) BM/BiOCOOH, (c) Bi2O3/C, (d-e) Bi2O3/C 不同放大倍数的 TEM 图像, (f) Bi2O3/C 的 SAED 图像, (g) EDS 图谱分析
Bi-MOF 是以均三苯甲酸作为有机配体通过直接溶剂热法合成的。随后在DMF溶剂中对其进行二次热处理，利用DMF的强极性使金属配位结构解离，释放出的Bi3+与配体衍生的羧酸根(COO-)发生拓扑化学重组，自组装形成二维BiOCOOH纳米片。最后经高温退火，在缓慢升温下，内部有机配体碳化为三维碳骨架，外部BiOCOOH分解释放CO2和H2O气体，产生原位活化扩孔效应，最终形成具有三维互穿多孔通道的Bi2O3/C材料。对于B-rGO/NiCoB正极材料，采用一步共还原法制备。通过静电吸附将Ni2+和Co2+锚定于GO表面的含氧官能团上，加入KBH4后，其同时作为还原剂和硼源，一方面将金属离子共还原为无定形NiCoB纳米颗粒，另一方面将GO还原并硼掺杂为B-rGO，最终通过π–π共轭作用构建出三维导电网络的B-rGO/NiCoB复合材料。
图 3. (a) NiB (b) CoB (c) NiCoB (d) B-rGO/NiCoB 的 SEM 图像, (e-f) B-rGO/NiCoB 的 TEM 图像, (g) B-rGO/NiCoB 的 EDS 图谱分析
要点二：Bi2O3/C的电化学性能分析
经电化学性能测试，Bi2O3/C 电极展现出高达 1029 F g-1 (1 A g-1) 的比电容，并且在充放电 3000 次循环后仍能保持 92.7% 的初始电容，其循环稳定性令人瞩目。通过分析其电荷储存动力学机制以扩散控制过程为主，随着扫描速率的增加，直观反映了电极过程从体相扩散向表面控制行为的动力学转变。Bi2O3/C 表现出更高的比容量、更优异的倍率性能、出色的循环耐受性和显著的阻抗性能。这些特性可能归功于 1. 合适的 Bi-MOF 模板。利用具有规则晶体结构的 Bi-MOF 作为模板，通过碳化策略在 Bi2O3中继承了三维导电碳网络骨架。这种结构可有效增强材料的整体导电性，同时减缓 Bi2O3的体积膨胀，提高电化学稳定性。2. 原位活化效应。BiOCOOH 分解形成 CO2/H2O 气体的原位活化效应可有效实现孔隙扩张，并引入含氧官能团以增强润湿性。
图 4. (a) Bi-MOF, BM/BiOCOOH, Bi2O3/C 的 CV, (b) Bi2O3/C 的 CV, (c) 柱状速率性能图, (d) 峰值电流与扫描速率的对数关系, (e) 50 mV s-1 时 Bi2O3/C 的 CV 曲线, 蓝色区域表示扩散控制过程的贡献, (f)不同扫描速率下表面控制和扩散控制的贡献率, (g)奈奎斯特曲线, (h) 5 A g-1 电流密度下的循环稳定性能, (i) Bi-MOF、BM/BiOCOOH 和 Bi2O3/C 在不同电化学性能指标下的综合比较图
要点三：B-rGO/NiCoB//Bi2O3/C 不对称超级电容器的电化学性能分析
通过组装B-rGO/NiCoB//Bi2O3/C 不对称超级电容器并进行电化学性能测试，该器件展现出1.6 V的宽电压窗口，同时该器件在最低功率密度 800 W kg-1 时的能量密度高达 50.4 Wh kg-1。通过用小型 LED 灯串联照明，验证了该器件的实际应用潜力。为了评估该器件的长期循环稳定性能，我们以 2 A g-1 的电流密度进行了 3000 次恒流充放电测试 。结果表明，电容保持率保持在 84.8%，库仑效率达到 97.8%，这表明该器件具有出色的循环耐久性和显著的充放电效率。
图 5. (a) B-rGO/NiCoB//Bi2O3/C ASC 的示意图, (b) B-rGO/NiCoB 和 Bi2O3/C 在 20 mV s-1 时的 CV 曲线, (c) 在 30 mV s-1 时的 CV 曲线, (d) CV 曲线 (1.6 V), (e) GCD 曲线, (f) 柱速率性能图, (g) Nyquist 曲线和 (h) Ragone 图 (插图为 B-rGO/NiCoB//Bi2O3/C ASC 器件点亮小型 LED 灯的图像), (i) B-rGO/NiCoB//Bi2O3/C ASC 在 2 A g-1 时的电容保持率和库仑效率
要点四：创新性总结
1.MOF 模板诱导形成的三维导电碳骨架。在高温热解过程中，Bi-MOF 中的有机配位体发生原位碳化，缓慢的升温速率不仅保留了原有的三维分层多孔碳骨架，还有效抑制了 Bi2O3的体积膨胀，从而显著提高了材料的导电性、比表面积和电化学稳定性。
2.自组装 BiOCOOH 的原位活化效应。在高温分解过程中，BiOCOOH 释放出的 CO2 和 H2O 气体在碳骨架内产生原位活化效应，不仅有效扩展了孔道结构，还引入了丰富的表面官能团，最终形成了三维互联的 Bi2O3/C 分层多孔结构。
3.利用 rGO 作为负载基底为 NiCoB 提供了生长位点，从而避免了 NiCoB 的过度聚集，同时提高了材料的导电性。其次，非晶 NiCoB 产生的大量氧空位和不饱和表面原子促进了电解液中 OH- 的吸附和脱附，加速了氧化还原反应，从而有效提高了电化学性能。
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文 章 链 接
The construction of high-performance asymmetric supercapacitors by Bi-MOF-derived carbon skeleton with in situ activated Bi2O3/C and B-rGO/amorphous NiCoB ”
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167546
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通 讯 作 者 简 介
吴尚教授简介：吴尚，中共党员，理学博士，教授，硕士生导师，甘肃省“飞天学者”，甘肃省“陇原青年英才”。吴尚教授长期从事功能型催化材料及储能材料的研究工作，近 5 年来主持完成国家自然科学基金 2 项，参与 2 项，主持甘肃省重点研发项目 1 项，参与甘肃省重点项目 1 项。主持完成西北民族大学中央高校基本科研业务经费项目4项，科研创新团队培育项目 2 项，科研创新团队项目 2 项。近年来在《Chemical Engineering Journal 》、《Organic Chemistry Frontiers》、《Green Chemistry》、《Materials Today Chemistry》、《Journal of Energy Storage》、《Journal of Alloys and Compounds》等期刊发表学术论文 60 余篇，授权发明专利 4 项，实用新型专利 14 项。获甘肃省高校科技进步奖一等奖 1 项、甘肃省科技进步奖三等奖 1 项，甘肃省自然科学奖三等奖 1 项，获甘肃省“优秀硕士学位论文指导教师”。
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第 一 作 者 简 介
孙鑫，西北民族大学化工学院 2022 级硕士研究生，师从吴尚教授。研究方向为超级电容器储能材料设计。相关成果在Chemical Engineering Journal、 Journal of Energy Storage、Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspect、Nanotechnology、Diamond and Related Materials等期刊发表多篇学术论文。在学科竞赛方面，获得第十届全国大学生能源经济学术创意大赛甘肃赛区一等奖，第二届创青春中国青年碳中和创新创业大赛西北赛区学术组银奖等多项奖项。在校期间获得西北民族大学一等学业奖学金、2025 届优秀毕业生等荣誉。
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课 题 组 介 绍
西北民族大学吴尚教授新型能源材料与绿色催化实验室简介
吴尚教授领衔的新型能源材料与绿色催化实验室成立于近年，依托西北民族大学化学学院，聚焦新型能源材料开发与绿色催化技术的前沿研究。实验室积极拓展国内外合作网络，与多所知名高校及科研机构建立了联合研发平台，致力于推动新能源材料与绿色化学的交叉创新。团队由教授、副教授、硕士研究生和本科生组成，形成了一支学科背景多元、创新能力突出的研究队伍。近年来，实验室围绕电催化材料、绿色合成技术、清洁能源存储材料等方向开展系统性研究，取得了一系列创新成果。团队以解决能源与环境领域的核心问题为目标，结合材料制备、表征分析、性能测试等实验手段，融合催化机理计算（如密度泛函理论）等先进方法，形成了从理论模拟、材料设计、可控合成到器件集成的全链条研究能力。尤其在绿色催化领域，实验室注重催化剂的理性设计及反应机理的深度解析，开发高效、稳定、低成本的催化体系，为能源转化、污染物降解及化工过程绿色化提供了新策略。实验室坚持 “基础研究-技术开发-应用推广” 三位一体的发展模式，研究成果在可再生能源利用、碳减排及环境治理等领域展现出广阔的应用潜力，为服务国家“双碳”战略及可持续发展目标提供科技支撑。
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