超級電容器(SCs)由于其具有快速充放電能力及較長的循環(huán)壽命被認(rèn)為是最有前景的能源存儲設(shè)備之一。然而，由于其相對較低的能量密度(與傳統(tǒng)電池相比至少相差一個(gè)數(shù)量級)限制了其廣泛應(yīng)用。盡管最近一些研究工作聲稱已經(jīng)將SCs的質(zhì)量比能量密度提升到100-150Whkg-1(基于電極中活性物質(zhì)的質(zhì)量)，但是其電極的厚度及活性物質(zhì)載量僅為5-15μm和0.5-1mgcm-2，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于商業(yè)化SCs的需求(100-200μm,~10mgcm-2)。已有報(bào)道顯示，微波膨脹法制備的氧化石墨烯(as-MEGO)因其較高的比表面積和高效的離子擴(kuò)散通道，在10.4mgcm-2的載量下電極能量密度達(dá)到了55Whkg-1。但是，該電極的制備過程需要添加一些非活性組分，如粘結(jié)劑，該類組分的添加增加了電極的整體質(zhì)量，卻不能提供有效的能量密度。最近，張躍鋼教授帶領(lǐng)的清華大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過水熱合成的方法成功制備了一種硼、氮、磷三元摻雜的三維(3D)多孔石墨烯水凝膠(BNP-HGH)，該水凝膠材料可直接作為無粘結(jié)劑電極組裝超級電容器，提供較高的能量密度。BNP-HGH電極中的硼、氮、磷摻雜原子不僅有利于電荷在相鄰碳原子間的轉(zhuǎn)移以增加雙電層電容(EDLC)性能，而且摻雜后的電極與電解液之間存在法拉第反應(yīng)，提供了額外的贗電容。此外，該電極中存在兩種不同類型的孔：由石墨烯片卷曲、堆疊而形成微孔，充當(dāng)電解液傳輸?shù)摹案咚俟贰?分布在石墨烯片上納米孔可以提供有效的離子通道。這使得我們開發(fā)出的BNP-HGH電極即使在商業(yè)化水平活性材料載量的條件下(~150μm,~10mgcm-2)，質(zhì)量比能量密度與體積比能量密度也能達(dá)到134Whkg-1及89WhL-1。更有意義的是，即使將電極、電解液、隔膜、外包裝等所有超級電容器的部件重量計(jì)算在內(nèi)，我們開發(fā)出的超級電容器的質(zhì)量比能量密度與體積比能量密度仍分別達(dá)到了38.5Whkg-1和57.4WhL-1，接近鉛酸電池的性能(50Whkg-1,90WhL-1)的性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際頂級期刊NanoEnergy上。

該工作創(chuàng)新點(diǎn)：

1.通過結(jié)合H2O2氧化和水熱合成的方法成功制備出一種硼、氮、磷三元摻雜的三維(3D)多孔石墨烯水凝膠(BNP-HGH)(如圖1a所示)。該電極中有兩種不同類型的孔：由石墨烯片卷曲、堆疊而形成微孔(如圖1d，e所示)，它能充當(dāng)電解液傳輸?shù)摹案咚俟贰?以及分布在石墨烯片上納米孔可以提供有效的離子通道(如圖1b所示)。

2.通過DFT計(jì)算證明了我們的硼、氮、磷三元摻雜之間具有協(xié)同效應(yīng)(如圖2a-f所示)，有效的增加了BNP-HGH的吸附能，從而提高了電化學(xué)性能(如圖2g-i所示)。

3.以BNP-HGH直接作為無粘結(jié)劑電極分別在水系電解液(1MH2SO4，如圖3所示)、凝膠電解液(1MH2SO4/PVA，如圖4所示)條件下組裝超級電容器并測試了其電化學(xué)性能。

4.在商業(yè)化水平載量的條件下(~150μm,~10mgcm-2)，我們制備的BNP-HGH電極的質(zhì)量比能量密度與體積比能量密度分別達(dá)到了134Whkg-1及89WhL-1(有機(jī)電解液:1MEMIMBF4/AN)。更有意義的是，即使將電極、電解液、隔膜、外包裝等所有超級電容器的部件重量計(jì)算在內(nèi)，我們開發(fā)出的超級電容器器件的質(zhì)量比能量密度與體積比能量密度仍分別達(dá)到了38.5Whkg-1和57.4WhL-1，接近鉛酸電池的性能(50Whkg-1,90WhL-1)。

材料制備過程：

多孔石墨烯(HGO)的制備：第一，將10mL的H2O2和1-2mL的HCl加入到100mL2mgmL-1GO水溶液分散液中;然后，在100oC下加熱攪拌4h，反應(yīng)后的溶液通過離心清洗掉殘留的H2O2和HCl;最后，把得到HGO配制成2mgmL-1HGO水溶液。

BNP-HGH的制備：首先，超聲混合2mgmL-1HGO、磷酸硼(BPO4)及四氟硼酸銨(NH4BF4)混合液;然后，混合液在160℃下水熱反應(yīng)12小時(shí)得到BNP-HGH，反應(yīng)結(jié)束后取出BNP-HGH水洗即可。