碳材料长期以来被广泛用于超级电容器。碳基超级电容器的实际应用受到其较低的电荷存储容量的严重限制。合理构建杂原子掺杂和高比表面积的碳材料可以有效提高超级电容器的性能。据此，山东大学Shengfu Liu（第一作者）吴拥中/郝霄鹏教授（通讯作者）等研究人员设计了一种用于超级电容器应用的自支撑氟掺杂碳氮化硼（F-BCN）气凝胶材料。
近年来，电动汽车和消费类电子产品的快速发展带来了一些问题，如高油耗和严重的环境污染。为了解决这些问题，人们开发了相关的储能装置。两种新兴的储能设备(超级电容器和可充电电池)显示出巨大的潜力，其中超级电容器与电池相比具有功率密度高、循环稳定性好、工作温度灵活等优点。根据储能机制的不同，超级电容器可分为电化学双层电容器 (EDLC) 和赝电容器。EDLCs使用最广泛的电极材料是活性炭、碳纳米管和石墨烯等碳材料。
其中，石墨烯基材料具有较高的导电性、较大的比表面积、良好的电化学和机械稳定性，被认为是有前途的候选材料。然而，由于石墨烯纳米片层之间的范德华力和π-π相互作用，通常会发生聚集和堆积，导致比表面积减小，比电容降低。为了减少石墨烯纳米片的团聚，石墨烯气凝胶（GA，3D石墨烯）因其不使用任何导电剂和粘合剂而具有高度互联的多孔框架，内阻小，从而离子扩散速率高而备受关注。相比之下，将杂原子引入石墨烯网络是进一步提高超级电容器能量密度的有效策略，可以提高电极的电导率，从而通过快速的表面氧化还原反应提供额外的电容，保持高循环稳定性。因此，B和N共同引入的硼碳氮（BCN）材料得到了广泛研究和制备。作为一种新兴的2D材料，由于杂原子的协同作用，促进了与相邻C原子的电荷转移，BCN具有比单掺杂石墨烯材料显著增强的电化学性能，从而具有更好的电容性能。
目前，制约BCN材料发展的主要因素是使用粉末材料制备电极，不仅会增加接触电阻，而且电活性物质容易从导电衬底的表面脱落，这将最终导致比容量和循环稳定性的降低。基于双电层贡献的BCN材料的比容量有待进一步提高。由于氟官能团的疏水性质，现阶段对掺杂氟的超级电容器材料的研究还不够。然而，在石墨烯电极材料中掺杂F可以促进相邻碳原子之间的电荷重新分配，从而获得较高的电负性，有效提高石墨烯的电化学活性和稳定性。
近日，山东大学Shengfu Liu（第一作者）吴拥中/郝霄鹏教授（通讯作者）等研究人员提出了一种以GA为碳基、NH4BF4为掺杂剂合成多孔氟掺杂硼碳氮(F-BCN)气凝胶的设计新概念。
杂原子的引入增加了碳骨架的缺陷密度，扩大了层间间距，产生了丰富的电化学活性位点，从而促进了离子在电极中的扩散。F-BCN-3的比电容为524.9 F g−1，当电流密度为1 a g−1时，组装后对称超级电容器的最大能量密度为11.75 W h kg−1。对称超级电容器在5000次充放电循环后仍能保持83%的比电容，表现出良好的电化学循环稳定性。该设计概念为碳材料在储能装置中的进一步应用开辟了有效途径。
相关研究成果以“elf-Supported Fluorine-Doped Boron Carbonitride Porous Aerogels for High-Performance Supercapacitors”为题，发表在Energy Technology 上。
图1. a) F-BCN 气凝胶材料的合成示意图。F-BCN-3 的形态：b,c) SEM 图像，d) TEM 图像，插入 HRTEM 图像显示晶格条纹，以及 e) SEM 图像和 B、C、N 和 F 元素的相应 EDS 映射。
图2. F-BCN 样品的结构表征：a) XRD 图；b) 拉曼光谱；c) FTIR 光谱；d) GA 和 F-BCN-3 的氮吸附等温线；插图显示了样品的 PSD 图。
图3. a) F-BCN 的 XPS 测量光谱；F-BCN-3的高分辨率光谱：b) C1s，c) N1s，d) B1s，e) F1s；f) 一系列 F-BCN 材料表面杂原子含量的比较。
图4. GA、BCN 和 F-BCN 材料在三电极模式下的电化学性能
图5. F-BCN-3样品在三电极体系中的电化学性能
图6. F-BCN对称器件在双电极体系中的电化学性能
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