超級電容器作為新一代儲能設(shè)備，廣泛應(yīng)用在混合動力汽車、可再生能源存儲,、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,、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負載組分的電化學(xué)活性起到活化作用，進而解決過渡金屬氧化物實際容量偏低的問題,。

材料學(xué)部半導(dǎo)體材料與器件創(chuàng)新團隊提出一種基于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表面的缺陷位點與化學(xué)反應(yīng)活性位點可以誘導(dǎo)高電活性過渡金屬氧化物的生成,，從而驅(qū)動異質(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，強電負性BCN的引入導(dǎo)致NiO/Co₃O₄局部電子離域趨勢增強以及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)的增強激活了NiO/Co₃O₄的電化學(xué)活性,；異質(zhì)界面處OH^–擴散勢壘的降低促進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理論計算對BCN/CNOs異質(zhì)界面處相互作用機理的探究

上述成果以“硼碳氮驅(qū)動異質(zhì)界面：一種新式的顯著提升超級電容器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、濟南市人才發(fā)展專項,、山東省自然科學(xué)基金等項目的支持,。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979724027024