韩国中央大学机械工程学院软能源系统与激光应用实验室Mahima Khandelwal—氮硼共掺杂致密激光诱导石墨烯超级电容器应用

本研究展示了一种简单和通用的方法，以超级电容器应用的重复激光热解方法为基础，制备N和B共掺杂且同时致密的激光诱导石墨烯(NB-dLIG)。第一次激光热解得到的LIG在其表面再包覆一层薄薄的聚酰胺酸/H₃BO₃，然后再进行激光辐照，使N和B杂原子同时致密化并合并到类石墨烯结构的LIG中。优化了H₃BO₃负载(1 wt%)和重复激光功率(2.4 W; NB1-dLIG-2.4) ，由于N和B共掺杂的协同作用，NB-dLIG的电容性能显著提高。NB1-dLIG-2.4电极提供了104.3 mF/cm²的比面积电容(C_A)，这是在0.2 mA/cm²时使用三电极组件的N掺杂dLIG (42.4 mF/cm²)和未掺单热解LIG (9.0 mF/cm²)的近2.5和12倍。此外，采用NB1-dLIG-2.4和PVA-H₂SO₄凝胶电解质制备了固态柔性超级电容器，获得了高C_A (40.4 mF/cm², 在0.05 mA/cm²时)，具有良好的循环稳定性、库仑效率和机械灵活性。该工作为制备多杂原子掺杂LIG开辟了新的途径，可用于各种电化学应用。

图1. 制备氮硼共掺杂致密激光诱导石墨烯(NB-dLIG)的示意图

图2. (a)未掺杂sLIG、(b) N-dLIG和(c) NB1-dLIG-2.4的扫描电子显微镜(SEM) 俯视图；(d) N-dLIG和(e) NB1-dLIG-2.4的横断面扫描电镜图像及其相应的高倍图像(插图)

图3. (a) NB1-dLIG-2.4的透射电镜(TEM)图像；(b) NB1-dLIG-2.4的高分辨率TEM图像显示了晶格条纹

 图4. N-dLIG和NB1-dLIG-2.4的拉曼光谱

图5. (a) N-dLIG和NB1-dLIG-2.4在结合能为0 ~ 800 eV范围内的x射线光电子能谱(XPS)调查扫描谱，以及(插图)在结合能在50 ~ 250 eV范围内的扩展扫描谱；N-dLIG的(b) C1s和(c) N1s高分辨率光谱；NB1- dLIG-2.4的 (d) C1s、(e) N1s和(f) B1s高分辨率光谱

图6. (a) NB1-dLIG-2.4电极在10 ~ 100 mV/s不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；(b)在50 mV/s的经典扫描速率下，以不同的H₃BO₃负载和N-dLIG合成NB1-dLIG-2.4电极的CV曲线；(c) NB1-dLIG-2.4电极在0.2 ~ 10 mA/cm²电流密度下的恒流充放电(GCD)曲线；(d)电流密度为0.2 mA/cm²时，以不同的H₃BO₃负载和N-dLIG合成NB1-dLIG-2.4电极的GCD曲线；(e)不同H₃BO₃负载时合成的NB1-dLIG-2.4电极的比面积电容(C_A)随电流密度的变化

图7. (a)扫描速率为50 mV/s、二次激光热解(1.2 ~ 5.4 W)时不同功率合成的NB1-dLIG电极的循环伏安(CV)曲线；(b)电流密度为0.2 mA/cm²时，不同功率合成的NB1-dLIG电极的二次激光热解的恒电流充放电(GCD)曲线；(c)电流密度为0.2 mA/cm²时，比面积电容(C_A)随二次激光热解的变化规律；(d) NB1-dLIG电极在不同激光功率下的电化学阻抗谱(EIS)曲线及其插图显示了扩展的高频区域

图8. NB1-dLIG固态超级电容器(SC)在2.4 W功率(NB1-dLIG-SC)下二次激光热解的电化学性能(a) NB1-dLIG-SC在扫描速率为10、20、50、100 mV/s时的循环伏安(CV)曲线；(b) NB1-dLIG-SC和N-dLIG-SC在扫描速率为50 mV/s时的扫描速率下的CV曲线比较；(c) NB1-dLIG-SC在0.05、0.1、0.2、0.5和1 mA/cm²的电流密度下的恒流充放电(GCD)曲线；(d) NB1-dLIG-SC的比面积电容(C_A)与电流密度的关系；(e)电流密度为0.05 mA/cm²时，NB1-dLIG-SC和N-dLIG-SC的GCD曲线比较；(f)电流密度为5 mA/cm²时，NB1-d-LIG-SC的循环稳定性测试；(g) 电流密度为1ma /cm²时，NB1-d-LIG-SC在不同弯曲半径下的电容保持率；(h)使用CO2激光与之前报道的未掺杂和掺杂的LIG SCs和MSCs相比，NB1-dLIG-SC的比面积Ragone图。

相关研究成果由韩国中央大学机械工程学院软能源系统与激光应用实验室的Mahima Khandelwal课题组于2021年发表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131119)上。原文：Nitrogen and boron co-doped densified laser-induced graphene for supercapacitor applications。