1成果简介
激光诱导石墨烯（LIG）凭借其独特优势，已成为储能应用领域极具前景的电极材料。然而，原始LIG电极的实验电容值仍远低于理论极限，主要归因于活性位点有限及载流子密度不足。为解决这一难题，在石墨烯晶格中掺入杂原子可产生额外载流子，从而提升电导率及整体性能，显著增强激光诱导石墨烯复合材料的电化学性能。本文，青岛农业大学孙新枝 副教授等在《New J. Chem》期刊发表名为“N, B, and S heteroatom-doped laser-induced porous PES-derived graphene for high-performance supercapacitors”的论文，研究提出一种简便高效的激光直接书写法，用于制备氮-硼-硫三掺杂激光诱导石墨烯（NBS-LIG）复合电极。
通过在预制硼掺杂硫化石墨烯薄膜上采用相同激光参数反复激光刻划，制备出NBS-LIG电极。这种协同性多杂原子共掺杂不仅诱导出作为电化学活性位点的结构缺陷，还增强了离子扩散动力学和电子转移能力。所得NBS-LIG电极在0.5 mA cm?2电流密度下展现出240 mF cm?2的卓越面容量。当电流密度提升至10 mA cm?2（原值20倍）时，其面容量仍保持在原始值的79.2%。基于NBS-LIG制备的对称超级电容器（SC）在0.4 mA cm?2电流密度下展现出29 mF cm?2的高容量密度，并在200 μW cm?2功率密度下实现4.03 μWh cm?2的高面积能量密度。本研究开创性地建立了氮、硼、硫共掺杂LIG的全新制备方法，通过向LIG中引入氮、硼、硫原子显著提升超级电容器性能，并为多原子共掺杂LIG的合成提供了全新视角。
2图文导读
图1、Schematic of the preparation of NBS-LIG.
图2、(a) and (b) Cross-sectional SEM images of S-LIG. (c) Top-view SEM image of S-LIG. (d) and (e) Cross-sectional SEM images of BS-LIG. (f) Top-view SEM image of BS-LIG. (g) and (h) Cross-sectional SEM images of NBS-LIG. (i) Top-view SEM image of NBS-LIG (laser power is 6 W).
图3、TEM images of (a) NBS-LIG and (c) BNS-LIG. HRTEM images of (b) NBS-LIG and (d) BNS-LIG showing lattice fringes. (e) EDS mappings of NBS-LIG and (f) BNS-LIG.
图4、High-resolution XPS fitting peaks of B 1s (a), S 2p (b), C 1s (c), and O 1s (d) for BS-LIG and B 1s (e), S 2p (f), C 1s (g), and O 1s (h) for NBS-LIG.
图5 (a) CV curves of S-LIG, (NB)S-LIG, BNS-LIG and NBS-LIG at 20 mV s?1. (b) GCD curves of S-LIG, (NB)S-LIG, BNS-LIG and NBS-LIG at 0.5 mA cm?2. (c) CV curves of NBS-LIG at different scan rates. (d) GCD curves of NBS-LIG at different current densities. (e) Variation in areal specific capacitance at different current densities. (f) EIS curves of S-LIG, (NB)S-LIG, BNS-LIG and NBS-LIG.
图6、(a) CV curves of the S-LIG SC, (NB)S-LIG SC, BNS-LIG SC and NBS-LIG SC at 10 mV s?1. (b) GCD curves of the S-LIG SC, (NB)S-LIG SC, BNS-LIG SC and NBS-LIG SC at 0.4 mA cm?2. (c) CV curves of NBS-LIG at different scan rates. (d) GCD curves of NBS-LIG at different current densities. (e) Variation in the specific areal capacitance at different current densities. (f) Ragone plots of the fabricated supercapacitors and their comparison with reported LIG-based supercapacitors.
3小结
综上所述，我们开发了一种简便的激光直接写入技术，用于制备氮掺杂与硼掺杂共存的S-LIG（NBS-LIG）复合电极。通过研究不同氮/硼掺杂顺序或同步掺杂对激光诱导石墨烯（LIG）复合材料的影响，发现先硼后氮的掺杂顺序（NBS）能实现最佳电化学性能。在0.5 mA cm?2电流密度下，NBS-LIG电极展现出卓越的面积比电容值——达240 mF cm?2，分别是BNS-LIG和(NB)S-LIG电极的2倍和3倍。当电流密度提高 20 倍时，NBS-LIG 电极的面积比电容仍保持在原始值的 79.2%。此外，NBS-LIG超级电容器在0.4 mA cm?2电流密度下展现出29 mF cm?2的高容量密度，并在200 μW cm?2面积功率密度下达到4.03 μWh cm?2的高面积能量密度。本研究通过引入双杂原子掺杂提升超级电容器性能，为制备N/B共掺杂S-LIG开辟了新途径，为多杂原子共掺杂LIG的合成提供了基础性认识。
文献：
