近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)與澳大利亞迪肯大學(xué)教授類偉巍團(tuán)隊(duì)合作，制備出一種二維硼氮碳納米篩材料，通過(guò)缺陷調(diào)控構(gòu)筑出高比能微型超級(jí)電容器，并揭示了此電容器的儲(chǔ)能機(jī)理。
二維硼氮碳納米篩的示意圖（a）；高分辨TEM照片（b）。單層純碳結(jié)構(gòu)（Pure-BCNN）、微孔碳結(jié)構(gòu)（Pore-BCNN）、氮摻雜碳結(jié)構(gòu)（N-BCNN）和硼氮摻雜碳結(jié)構(gòu)（BN-BCNN）的量子電容（c）；理論電容（d）。
微型超級(jí)電容器具有功率密度高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可作為柔性電子設(shè)備的微型供電電源。然而，微型超級(jí)電容器受限于雙電層電極材料的比容量，導(dǎo)致器件的能量密度普遍不高。開(kāi)發(fā)具有贗電容特性的二維碳材料被認(rèn)為是一種具有前景的提升能量密度的方法，然而這類材料很少作為高能量密度微型電容器的電極材料，并且其儲(chǔ)能機(jī)理尚不明確。
本工作中，合作團(tuán)隊(duì)可控地制備出一種二維硼氮碳納米篩（BCNN）高性能電極材料，并以此構(gòu)筑出高能量密度微型超級(jí)電容器（BCNN-MSCs）。合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)控二維硼氮碳納米篩的缺陷程度，可有效調(diào)控BCNN-MSCs的面電容從30.5mF/cm2到80.1mF/cm2；當(dāng)使用離子液體凝膠電解質(zhì)時(shí)，BCNN-MSCs的能量密度可達(dá)到67.6mWh/cm3；通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了缺陷調(diào)控的機(jī)理，驗(yàn)證了微孔和硼氮原子摻雜協(xié)同提升了整體的量子電容，從而大幅度提高了整體電容；通過(guò)計(jì)算理論總電容，揭示了在低電壓下微孔可以提高電容量，在較高電壓下?lián)诫s硼和氮可以提高電容。該策略為制備新型二維贗電容特性的碳材料提供了一種新思路。
相關(guān)研究成果以“Tailoring the defects of Two-dimensional Borocarbonitride Nanomesh for High Energy Density Micro-supercapacitor”為題發(fā)表在Energy Storage Materials上。該工作的第一作者是大連化物所博士后張良柱。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項(xiàng)目的資助。
