氮掺杂碳/氮化碳基质中非晶态镍钴硼酸盐的完全电化学重构及其高效储能机制研究

　　针对超级电容器电极材料活性位点利用率低的问题，研究人员通过预材料设计策略，将非晶态Ni-Co硼酸盐嵌入氮掺杂碳/g-C3 N4 基质（NCBO@NC-CN），诱导其完全电化学重构为超薄β-(Ni,Co)(OH)2 纳米片。该材料展现出275.3 mAh g?1 的高比容量和60%的倍率性能，揭示了硼元素缺电子态促进完全重构的机制，为二维过渡金属氢氧化物设计提供了新思路。

　　

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，高效储能技术成为研究热点。超级电容器（SCs）因其快速充放电和长循环寿命备受关注，但传统碳基材料受限于表面吸附机制，能量密度难以突破。过渡金属化合物虽具有高理论容量，但块体结构导致离子传输缓慢、活性位点覆盖等问题。如何通过材料设计实现高活性、高稳定性的电极成为关键挑战。

中国石油大学（北京）的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，提出了一种创新的预材料重构策略。通过简单退火法制备非晶态镍钴硼酸盐/氮掺杂碳-氮化碳复合材料（NCBO@NC-CN），在电化学过程中诱导其完全转化为超薄β-(Ni,Co)(OH)₂
纳米片，实现了275.3 mAh g^?1
的比容量和5000次循环95.5%的稳定性，并揭示了硼酸盐促进完全重构的原子级机制。

关键技术包括：1）一锅法退火合成非晶态Ni-Co硼酸盐复合基质；2）电化学活化诱导相变过程监测；3）同步辐射等技术解析活性物种演化；4）三电极体系评估储能性能；5）非对称超级电容器器件组装与测试。

【结果与讨论】

1. 材料设计与合成：通过Ni/Co硝酸盐、硼酸与尿素/葡萄糖的协同热解，构建了非晶态硼酸盐嵌入氮掺杂碳/g-C₃
   N₄
   的独特结构，XRD和TEM证实其无定形特性。

2. 电化学重构机制：原位测试表明，硼酸盐在OH^?
   吸附作用下发生完全重构，B元素完全消失，形成具有丰富缺陷的β-(Ni,Co)(OH)₂
   纳米片（厚度<5 nm）。这种转变源于B的缺电子特性对OH^?
   的强捕获能力。

3. 储能性能突破：最优样品NCBO@NC-CN-2在1 A g^?1
   下展现275.3 mAh g^?1
   的容量，50 A g^?1
   时仍保持164 mAh g^?1
   （60%保持率），远超同类材料。非对称器件能量密度达77.6 Wh kg^?1
   ，功率密度16 kW kg^?1
   。

4. 构效关系解析：非晶结构提供更多重构起始位点，氮掺杂碳基质加速电子传输，而超薄纳米片结构使活性位点利用率接近100%，XPS证实重构后Ni/Co价态变化主导储能过程。

【结论】该研究首次阐明硼酸盐作为预材料通过完全电化学重构形成高活性β-氢氧化物的机制，突破传统材料表面重构的局限性。提出的“缺电子元素诱导深度重构”策略可拓展至其他过渡金属体系，为设计下一代高性能储能材料提供了新范式。