环三磷腈衍生的富氧N,P共掺杂碳纳米片用于高性能超级电容器电极

为解决超级电容器电极材料活性位点不足和表面功能化有限的问题，研究人员通过调控环三磷腈-1,1-联萘酚前驱体的热解速率（2、5、10 °C min?1 ），成功制备了N,P,O三元掺杂碳纳米片（PBNS）。该材料在2 °C/min条件下表现出264F/g的比电容（0.1 A/g，1 M H2 SO4 ）和100%循环稳定性（10,000次），能量密度达9.2 Wh kg?1 ，为清洁能源存储提供了新策略。

　　

能源存储领域正面临传统碳材料活性位点不足和表面化学性质单一的挑战。超级电容器（Supercapacitor）作为高效储能器件，其核心瓶颈在于电极材料的电荷存储能力与循环稳定性的平衡。环三磷腈（CTP）因其独特的无机-有机杂化结构和丰富的异质原子（N、P）成为理想前驱体，但如何通过可控热解实现结构-性能精准调控仍是难题。中国某高校团队在《Fuel》发表研究，通过设计环三磷腈-联萘酚共聚物前驱体，结合梯度热解速率（2–10 °C min^?1
）和KOH活化，制备出具有分级孔隙和20–28%氧含量的N,P,O共掺杂碳纳米片（PBNS）。

研究采用核磁共振（NMR）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积分析（BET）和扫描电镜（SEM）表征材料结构，并通过两电极体系测试电化学性能。

【材料与结构】
FT-IR证实前驱体中P-O-C键（965 cm^?1
）和P=N键（1350 cm^?1
）的形成。XPS显示PBNS-2的氧含量高达28 at.%，且吡啶氮（398.5 eV）和P-C键（133.2 eV）占比显著。BET表明2 °C/min热解速率下材料比表面积达1,024 m²
/g，介孔占比78%。

【电化学性能】
在1 M H₂
SO₄
电解液中，PBNS-2的比电容达264F/g（0.1 A/g），优于同类报道的磷腈基碳材料（如Munan Qiu团队的288.8F/g@0.5 A/g）。电容贡献分析显示，双电层电容（EDLC）占比62%，赝电容（Pseudo-C）占38%。

【机制与优势】
缓慢热解（2 °C/min）促进前驱体有序碳化，形成连续导电网络；高氧含量增强电解液浸润性，P/N掺杂提升电荷转移速率。该材料在10,000次循环后容量无衰减，功率密度24.68 W kg^?1
时能量密度保持9.2 Wh kg^?1
。

结论指出，CTP前驱体与可控热解策略的结合，实现了碳材料孔隙-掺杂-形貌的协同调控，为无需后修饰的高性能超级电容器电极提供了新范式。该工作凸显了分子设计结合工艺优化在能源材料开发中的关键作用。