近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊與澳大利亞迪肯大學教授類偉巍團隊合作，制備出一種二維硼氮碳納米篩材料，通過缺陷調控構筑出高比能微型超級電容器，并揭示了此電容器的儲能機理。
二維硼氮碳納米篩的示意圖（a）；高分辨TEM照片（b）。單層純碳結構（Pure-BCNN）、微孔碳結構（Pore-BCNN）、氮摻雜碳結構（N-BCNN）和硼氮摻雜碳結構（BN-BCNN）的量子電容（c）；理論電容（d）。
微型超級電容器具有功率密度高和壽命長的優勢，可作為柔性電子設備的微型供電電源。然而，微型超級電容器受限于雙電層電極材料的比容量，導致器件的能量密度普遍不高。開發具有贗電容特性的二維碳材料被認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，并且其儲能機理尚不明確。
本工作中，合作團隊可控地制備出一種二維硼氮碳納米篩（BCNN）高性能電極材料，并以此構筑出高能量密度微型超級電容器（BCNN-MSCs）。合作團隊通過調控二維硼氮碳納米篩的缺陷程度，可有效調控BCNN-MSCs的面電容從30.5mF/cm2到80.1mF/cm2；當使用離子液體凝膠電解質時，BCNN-MSCs的能量密度可達到67.6mWh/cm3；通過理論計算進一步揭示了缺陷調控的機理，驗證了微孔和硼氮原子摻雜協同提升了整體的量子電容，從而大幅度提高了整體電容；通過計算理論總電容，揭示了在低電壓下微孔可以提高電容量，在較高電壓下摻雜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。
相關研究成果以“Tailoring the defects of Two-dimensional Borocarbonitride Nanomesh for High Energy Density Micro-supercapacitor”為題發表在Energy Storage Materials上。該工作的第一作者是大連化物所博士后張良柱。上述工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。
