在众多新型电化学储能体系中，锌离子混合电容器 (ZIHCs) 通过耦合锌负极的电池型反应与碳基正极的电容行为，在水系体系中兼具高能量输出与高功率输出的潜力，同时具备安全性与成本优势。然而，传统碳基正极对Zn2+的吸附与存储能力相对不足，离子传输与电荷转移过程易产生极化，导致正负极容量匹配与动力学协同不足，制约了ZIHCs整体容量与能量密度的提升。因此，构建兼具高密度Zn2+存储位点与快速离子传输通道的碳基正极，成为提升ZIHCs综合性能的关键路径。
在碳基材料中，生物质资源因来源广泛、可再生、成本低廉且环境友好而成为理想的碳前驱体。尤为重要的是，多数生物质天然富含氧、氮、硫等杂原子，可在碳化过程中实现原位引入，有助于调控碳骨架电子结构、改善表面润湿性并引入额外电化学活性位点，从而增强Zn²⁺存储能力。围绕生物质资源的高效转化与高值化利用，针对水系锌离子储能器件中碳基正极活性位点不足、Zn²⁺存储能力受限等关键问题，本研究以甲壳素为前驱体，设计并制备了杂原子掺杂的分级多孔碳材料。
本文以甲壳素为碳源、硼酸 (H3BO3) 为硼源、氧化石墨烯 (GO) 为模板，借助 GO 与甲壳素之间的静电作用实现前驱体在二维界面的定向组装，从而构筑二维纳米片状多孔碳骨架。在合成过程中，H3BO3通过重结晶过程在碳前驱体中实现均匀分散与嵌入；该过程不仅有利于硼元素的稳定引入，也可在碳化过程中协同促进氮、硼杂原子的掺入，从而提升材料表面缺陷与电化学活性位点密度。最终获得的二维纳米片状B/N共掺多孔碳 (BNPC) 具有较高的比表面积 (750.5 m2 g-1)，且 B、N 元素分布均匀，表明模板与掺杂策略能够有效调控其微结构与组成。
通过SEM和TEM观察，BNPC-900为典型二维纳米片结构，片层表面富含微孔与介孔并构成分级多孔网络；元素映射中 B/C/N/O 在纳米片上均匀分布。XRD和Raman表明，所有BNPC样品均为无定形碳结构，具有较高的缺陷程度。XPS结果中，BNPC-900中氮含量为6.52 at%，硼含量为4.07 at%。氮气吸附-脱附测试显示，BNPC-900具有较高的比表面积 (750.5 m2g-1)，其中微孔面积为535.9 m² g-1，总孔容为0.47 cm³/g，这种分级孔结构有利于离子的快速传输和高效存储。
图1、 BNPC的合成示意图
在6 M KOH电解液的三电极体系中对BNPC电极进行电化学评估。结果显示，该电极在0.5 A g-1下的比电容为367.3 F g-1。经过10000次循环后电容保持率接近100%，说明其电化学过程可逆性强、结构稳定性高，能够满足长寿命储能的需求。
进一步以BNPC-900作为正、负极材料，在2 M ZnSO4电解液中构建对称型超级电容器 (BNPC-900//BNPC-900)。器件在0.25 A g-1下的比电容为64.8 F g-1，能量密度达到29.2 Wh kg-1。在电流密度从0.5 A g-1提升到20 A g-1的过程中，其恒流充放电曲线始终保持近似三角形特征，表明器件具有较低极化与较好的动力学响应。经过10000次循环后，电容保持率达到103.8% (容量略有上升可能与电解液逐步润湿、活性位点逐渐激活等因素相关)。
在此基础上，以BNPC为正极、锌箔为负极，在2 M ZnSO4中组装ZIHC (Zn//ZnSO4//BNPC-900)，以兼顾电容型与电池型储能特征。倍率测试表明，该器件在0.1 A g-1下的比容量为 133.7 mAh g-1 (300.8 F g-1)。能量-功率特性显示，在功率密度99.9 W kg-1时可实现106.9 Wh kg-1的能量密度，体现出较强的能量输出能力与功率响应能力的兼顾。循环测试进一步证明其耐久性：在200 mV s-1扫描速率下经历10000次循环后，容量保持率与库仑效率均接近100%，说明该器件具有稳定的可逆储能过程与优异的循环可靠性。
本研究通过静电自组装结合高温碳化策略，成功制备了B/N共掺杂二维纳米片多孔碳 (BNPC)。BNPC-900具有高达750.5 m² g-1的比表面积、丰富的微介孔结构、良好的导电性和亲水性，以及高含量的边缘氮和硼官能团。该材料在三电极体系中表现出367.3 F g-1的高比电容和优异的循环稳定性。在锌离子混合电容器中，BNPC-900实现了106.9 Wh kg-1的高能量密度和10000次循环后100%的容量保持率，远超多数已报道的碳基正极材料。其储能机制为电容控制和扩散控制的协同作用，兼具超级电容器的高功率特性和电池的高能量密度。该工作为高性能锌离子混合电容器正极材料的设计提供了一种简便、高效的策略。
文献：https://doi.org/10.1016/j.jtice.2025.106511
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