原子级钌嵌入三维离子导电隧道网络的Ta/Ru共掺杂Nb2 O5 纳米片复合材料的超高性能超级电容器研究

为解决Nb2 O5 电极材料导电性差和结构不稳定的问题，研究人员通过引入Ta、Ru和组氨酸功能化硼磷掺杂石墨烯量子点（HBP-GQD），构建了(Nb0.7 Ta0.15 Ru0.15 )2 O5 -HBP-GQD复合材料。该材料展现出60919.54倍的电导率提升和1157.5 F g?1 的超高比电容，对称超级电容器能量密度达137.0 Wh kg?1 ，为高性能柔性电子器件提供了新思路。

　　

超级电容器作为新一代储能器件，因其高功率密度和快速充放电特性，在电动汽车和智能电网等领域展现出巨大潜力。然而，低能量密度（通常<10 Wh kg^?1
）和昂贵电极材料制约了其商业化进程。Nb₂
O₅
虽具有层状结构和多价态氧化还原特性，但本征电导率低（需添加导电剂）和循环过程中的相变问题导致其实际性能远低于理论值。针对这些挑战，江南大学的研究团队通过创新性的"金属-量子点协同调控"策略，开发出具有原子级钌嵌入三维离子通道的Ta/Ru共掺杂Nb₂
O₅
纳米片复合材料，相关成果发表在《Applied Surface Science》。

研究采用热解配位法（金属离子与HBP-GQD配位后850℃氮气退火）、同步辐射X射线吸收谱（分析Ru原子局域结构）和电化学阻抗谱（量化离子扩散系数）等关键技术，结合Li₂
SO₄
/PVA凝胶电解质体系，系统评估了材料的储能性能。

【Synthesis of HBP-GQD】
通过柠檬酸/组氨酸/硼酸/磷酸共热解法制备的HBP-GQD，其表面丰富的氨基和硼磷杂原子为后续金属离子配位提供了活性位点。

【Design and synthesis】
Ta的引入稳定了Nb₂
O₅
晶格（抑制相变），Ru原子嵌入隧道网络形成电子高速通道，HBP-GQD的导向作用使材料获得(001)晶面择优取向生长，电导率提升至纯Nb₂
O₅
的60919.54倍。

【Conclusions】
该研究实现了三重突破：(1) Ru原子级分散使Li⁺
扩散效率提升309.5倍；(2) 三维隧道结构使电化学活性面积增加192.8倍；(3) 对称电容器在10 A g^?1
下仍保持155.5 F g^?1
容量，10000次循环后容量保持率98.7%。这种"原子修饰-量子点调控-结构设计"的多尺度协同策略，为开发下一代高能量密度储能器件提供了范式转移。