山西大学韩高义教授团队Small：一锅熔盐法构筑B, N共掺杂多孔碳用于高性能超级电容器

第一作者：刘慧超

通讯作者：韩高义*，朱胜*，常云珍*，侯文静*

单      位：山西大学

作为一种重要的商业化储能装置，由活性炭构建的超级电容器具有高功率密度、优异的循环稳定性和快速充放电能力。然而，受其静电吸附机制的限制，碳基超级电容器总是面临能量密度较低的问题，这极大地阻碍了其大规模应用。通过孔工程和杂原子掺杂策略增加电化学活性面积和碳材料表面性质是提高碳基超级电容器容量和能量密度的有效方法。

近年来，已有许多研究对杂原子掺杂多孔碳的储能性能进行了研究。例如用水热法、模板法和化学活化法等合成杂原子掺杂多孔碳。这些研究表明，杂原子掺杂的分级多孔碳是超级电容器的最有潜力的电极材料之一。然而，这些合成方法常常需要碳化-活化两步完成。繁琐的制备过程和活化剂的使用，使得它们的大规模制备受到限制。因此，人们迫切需要一种简单而有效的方法来制备具有分级多孔结构的杂原子掺杂碳材料。

近日，来自山西大学的韩高义教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为”Unveiling superior capacitive behaviors of one-pot molten salt-engineered B, N co-doped porous carbon sheets”的研究文章。该文章通过简易的一锅熔融盐法合成了B, N共掺杂的分级多孔碳片（BN-PCS）。密度泛函理论（DFT）计算揭示了B, N双掺杂以及B和N原子不同成键类型对K离子吸附能力的影响。其中，BOC₂/pyrrolic N与K离子具有更强的相互作用有助于提高碳材料的电导率和赝电容。因此，在水系电解质中，BN-PCS材料表现出优异的倍率性能（200 F g⁻¹ at 200 A g⁻¹）。优化后的碳材料组装的对称器件，在1.0 mol L⁻¹ TEABF4/AN电解质中，表现出高的能量密度（43.5 Wh kg⁻¹）。同时，它还具有优异的稳定性，经过10000次循环后，器件的电容保持率和库伦效率分别为91.1%和100%。该研究表明，一步熔盐法在设计用于高性能储能装置的先进碳材料方面是有效的。

由于碳材料的储能性质与其对电解质离子的吸附能力密切相关，研究人员以KOH电解质为例，通过DFT计算研究了K在不同类型的掺杂多孔碳表面的吸附能。对于氮掺杂多孔碳，吡咯氮对K的吸附能要高于吡啶氮和石墨氮。而硼，氮共掺杂多孔碳与K的相互作用要强于氮掺杂多孔碳，其中B-O-C₂/pyrrolic N对碳材料的储钾能力提升最大。这可能是由于B原子的引入有利于固定N原子，使碳晶格更稳定。此外，B和N的共掺杂可以调节碳原子的电子供体性质，产生电荷位点以提高其电化学性能。

研究人员报道了一种简单的一锅熔盐法构建B, N共掺杂多孔碳片。以富含羟基的琼脂作为碳前驱体，其具有低成本和室温下凝胶化的独特能力，尿素作为氮源和结构引导剂，硼酸作为硼源和造孔剂。此外，以KCl/KHCO₃二元共晶盐作为反应介质可以大大降低熔融温度（≈615°C），且熔融状态下的K2CO₃可以增强与碳前体的相互作用，有助于形成高度多孔的碳结构。研究中通过改变硼酸、尿素和碳酸氢钾的加入量以及热解温度可以得到不同硼氮掺杂量的多孔碳片。

在6 mol L⁻¹ KOH 电解液中，对CN、NCN以及BN-PCS的电化学性能进行评估。电化学测试结果表明，BN-PCS拥有优异的电容性能和出色的倍率性能。通过电化学阻抗谱分析了电极材料的动力学性能，BN-PCS具有最低的电荷转移电阻、最小的弛豫时间和最大的离子扩散系数，这得益于BN-PCS介孔为主的分级孔结构和硼氮共掺杂的效果。

使用BN-PCS作为电极材料组装了对称超级电容器。在6 mol L⁻¹ KOH 和1 mol L⁻¹ TEABF4电解液中，BN-PCS电极材料均表现出优异的倍率性能和循环稳定性。在0.5 A g⁻¹的电流密度下，器件可以获得43.5 Wh kg⁻¹的高能量密度。经过10000次循环后，器件在氢氧化钾和有机电解液中的电容保留率分别为100%和91.1%，库伦效率均约为100%。

Unveiling superior capacitive behaviors of one-pot molten salt-engineered B, N co-doped porous carbon sheets”

投稿请联系contact@scimaterials.cn