超級(jí)電容器作為新一代儲(chǔ)能設(shè)備，廣泛應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車、可再生能源存儲(chǔ)、電網(wǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)、生物傳感器、人體醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。超級(jí)電容器可以通過在電極表面發(fā)生雙電子層行為以及快速可逆的氧化還原反應(yīng)提供高效的電荷轉(zhuǎn)移效率，從而帶來可觀的功率密度以及循環(huán)壽命。過渡族金屬氧化物具有高額的理論比容量，在作為超級(jí)電容器電極材料方面已得到了廣泛研究。但受限于較低的本征電導(dǎo)率以及在充放電過程中伴隨氧化還原反應(yīng)過程產(chǎn)生的體積膨脹問題，其實(shí)際容量與理論容量仍有較大差距。利用具有良好導(dǎo)電性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的碳材料錨定過渡金屬氧化物可以一定程度改善材料的電化學(xué)性能，但仍具有很大的提升空間。硼碳氮（BCN）是一種B、N原子共引入碳晶格的一種三元體系類石墨結(jié)構(gòu)，并具有豐富的表面活性位點(diǎn)、結(jié)構(gòu)缺陷以及高度的π電子離域，這使其有望代替石墨烯集流體而對(duì)負(fù)載組分的電化學(xué)活性起到活化作用，進(jìn)而解決過渡金屬氧化物實(shí)際容量偏低的問題。
材料學(xué)部半導(dǎo)體材料與器件創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出一種基于BCN輔助構(gòu)建異質(zhì)界面的全新策略用以提升過渡金屬氧化物超電材料的比容量。如圖1所示，BCN表面的缺陷位點(diǎn)與化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)可以誘導(dǎo)高電活性過渡金屬氧化物的生成，從而驅(qū)動(dòng)異質(zhì)界面的構(gòu)建。圖2展示的密度泛函理論結(jié)果揭示了在BCN/NiO/Co3O4異質(zhì)界面處，強(qiáng)電負(fù)性BCN的引入導(dǎo)致NiO/Co3O4局部電子離域趨勢(shì)增強(qiáng)以及NiO/Co3O4內(nèi)部的離域電子向異質(zhì)界面處轉(zhuǎn)移并積聚，金屬離子的氧化態(tài)的增強(qiáng)激活了NiO/Co3O4的電化學(xué)活性；異質(zhì)界面處OH–擴(kuò)散勢(shì)壘的降低促進(jìn)了金屬氧化物的氧化還原反應(yīng)，BCN/CNOs異質(zhì)界面的構(gòu)建成功將電極的比容量從3361 mF·cm–2顯著提升至8533 mF·cm–2。該策略為超級(jí)電容器過渡金屬氧化物電極比容量的提升提供了新的解決思路，在構(gòu)建碳基復(fù)合金屬氧化物材料異質(zhì)界面方面提供了新的見解。
圖1. BCN/CNOs材料的制備流程示意圖以及異質(zhì)界面微觀結(jié)構(gòu)的表征
圖2. 借助DFT理論計(jì)算對(duì)BCN/CNOs異質(zhì)界面處相互作用機(jī)理的探究
上述成果以“硼碳氮驅(qū)動(dòng)異質(zhì)界面：一種新式的顯著提升超級(jí)電容器Co3O4/NiO電極比容量的方法”（“BCN-driven interfacial effect: A novel strategy to remarkably enhance the capacitance of Co3O4/NiO for supercapacitor”）為題發(fā)表在國際知名期刊《膠體與界面科學(xué)雜志》（Journal of Colloid and Interface Science）上。材料學(xué)部2022級(jí)碩士研究生張惠澤為文章的第一作者，吳擁中教授和史棟為共同通訊作者。本研究得到了山東省泰山學(xué)者工程、濟(jì)南市人才發(fā)展專項(xiàng)、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979724027024