制备了用于准固态超级电容器和钠离子电池的中孔硼碳氮化物还原氧化石墨烯异质结构

《Nano Energy》：Ordered mesoporous borocarbonitride-reduced graphene oxide heterostructure for quasi solid-state supercapacitors and sodium-ion batteries

本研究通过SBA-15模板合成有序介孔BCN-rGO杂化材料，具有高比表面积（1139 m2/g）和平均孔径9 nm。该材料在超级电容器中表现出338.1 F/g的高电容，在钠离子电池中实现204.4 mAh/g的容量，并通过理论计算验证了其优异的电子传导性和钠离子吸附能力。

　　本文探讨了一种新型的电化学活性材料——由介孔硼碳氮化物（BCN）和还原氧化石墨烯（rGO）组成的异质结构，并研究了其在超级电容器和钠离子电池（SIBs）中的应用潜力。该材料通过使用SBA-15作为硬模板进行合成，形成具有高度有序介孔结构的复合材料。由于其高比表面积、可调的孔径和优异的离子传输性能，这种材料在电化学储能领域展现出良好的前景。

介孔结构对于储能材料的重要性在于，它能够提供更多的表面积供离子吸附，并且有利于离子的快速迁移。在本文中，研究人员通过调节rGO的含量，对材料的导电性进行了优化。BCN-rGO异质结构表现出优异的导电性，这不仅得益于rGO的高导电性，还因为BCN的结构能够为离子存储提供丰富的活性位点。此外，该材料在超级电容器中表现出高达338.1 F/g的比电容，同时在钠离子电池中也显示出204.4 mAh/g的容量，这表明其在能量密度和电荷存储能力方面具有显著优势。

为了验证材料的性能，研究团队采用了一系列实验和理论分析方法。首先，他们利用X射线衍射（XRD）和氮气吸附-脱附实验（N? adsorption-desorption）来评估材料的结构和孔隙特性。结果显示，BCN-rGO异质结构具有有序的介孔结构，平均孔径约为9纳米，比表面积高达1139 m2/g。这些特性使得材料在电化学储能中表现出良好的性能。此外，X射线光电子能谱（XPS）和近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）分析进一步确认了材料中碳、氮和硼的结合方式，以及这些元素对材料电化学性能的影响。

在电化学性能测试中，研究团队使用了循环伏安法（CV）和恒流充放电测试（GCD）来评估材料的储能行为。结果表明，BCN-rGO异质结构在超级电容器中表现出优异的循环稳定性和速率能力。例如，在0.5 A/g的电流密度下，材料的比电容达到338.1 F/g，并且在20,000次循环后仍能保持约97%的容量。这表明该材料在实际应用中具有良好的耐用性。同时，该材料在非对称超级电容器中也表现出较高的能量密度，达到37.6 Wh/kg，这进一步证明了其在储能设备中的应用潜力。

在钠离子电池的应用中，BCN-rGO异质结构展现出良好的电化学性能。材料的比容量在0.1 A/g的电流密度下达到204.4 mAh/g，并且在不同电流密度下仍能保持较高的容量。这表明该材料不仅具有较高的离子存储能力，还具备良好的电荷传输特性。此外，研究团队还通过电化学阻抗谱（EIS）分析了材料的电荷转移电阻（R_CT），发现加入rGO后，R_CT显著降低，说明rGO在提高材料导电性方面起到了关键作用。

在理论计算方面，研究团队利用密度泛函理论（DFT）分析了材料的电化学性能。他们计算了材料的带隙、电荷转移特性以及不同Na?离子嵌入情况下的能量变化。结果显示，BCN-rGO异质结构在Na?嵌入过程中表现出较低的吸附能，说明其对Na?离子具有良好的亲和力。同时，通过计算材料的费米能级和态密度（DOS），研究团队进一步确认了该材料的电荷存储能力。特别是，当Na?离子嵌入到材料中时，费米能级会向真空能级靠近，从而提高材料的导电性，增强其储能性能。

研究团队还探讨了BCN-rGO异质结构在实际应用中的优势。例如，其有序的介孔结构有助于缓解体积膨胀，提高材料的结构稳定性。此外，材料的高比表面积和良好的导电性使其能够有效储存和传输电荷，从而提升其在超级电容器和钠离子电池中的性能。研究还指出，尽管BCN具有良好的电化学活性，但由于其内部可能存在一些缺陷，导致其导电性不如rGO。因此，将BCN与rGO结合，可以充分发挥两者的优势，形成一个高效的电化学储能系统。

总的来说，这项研究提出了一种新型的介孔BCN-rGO异质结构，并验证了其在超级电容器和钠离子电池中的优异性能。材料的高比表面积、有序介孔结构和良好的导电性使其在储能领域具有广泛的应用前景。此外，研究团队还通过实验和理论分析，揭示了材料中各组分之间的协同作用，以及它们对电化学性能的贡献。这些发现不仅为新型储能材料的设计提供了理论依据，也为实际应用提供了技术支持。