北京化工大學毋偉課題組Langmuir：羥基化氮化硼納米片的新型電化學剝離制備及其在固態柔性超級電容器中的應用

?01【導讀】

迄今為止，六方氮化硼納米片（BNNSs）憑借其優異的機械性能、高的熱穩定性和化學穩定性、強抗氧化性和大的比表面積，已被廣泛應用于傳感器、吸附和導熱等領域。然而，它們的疏水性限制了其再親水性底物的應用。因此，功能化改性BNNSs受到越來越多研究人員的關注，尤其是羥基化修飾。羥基氮化硼（OH-BNNSs）的制備一般分為兩個步驟，即制備BNNSs和將-OH基團接枝在BNNSs表面。 其中，-OH 基團的接枝通過在高溫氣氛或在強酸、強堿和氧化劑的溶液中處理BNNSs來實現，這通常涉及苛刻的實驗條件和危險化學品。與傳統方法相比，電化學剝離法被廣泛用于制備二維（2D）材料，具有操作簡單、產品可控性好、器件小、環保等優點。在電化學剝離過程中，層狀材料通常被用作電極，通過電解質中離子的嵌入或電極反應產生的氣體促使材料剝離。因此，OH-BNNSs等絕緣材料難以通過電化學剝離直接制備。

目前，基于聚乙烯醇（PVA）的凝膠聚合物電解質 (GPE) 因其無毒、低成本和高成膜能力而在固態柔性超級電容器中受到廣泛關注。通常通過添加強酸、強堿或無機鹽來提高PVA基GPE的離子電導率，這使得組裝的超級電容器具有較窄的電化學窗口。為了獲得高性能的固態超級電容器，向電解質中添加合適的添加劑是一種有效的方法。

02【成果掠影】

最近，北京化工大學毋偉課題組報告了用低共熔溶劑（DES，氯化膽堿-尿素）和水組成的混合物作電解質，電化學剝離制備OH-BNNSs，并將其應用于柔性固態超級電容器中。DES 和水都在剝離中扮演著重要角色，其中 DES 可以快速插入 h-BN 層間，且 DES 和水都可產生氣體，導致材料層間膨脹。更重要的是，水可以氧化 BNNSs 從而實現一步制備 OH-BNNSs的目的。所獲得的 OH-BNNSs 的平均橫向尺寸約為 625 nm，厚度約為 6 層。隨后，將 OH-BNNSs和DES添加到PVA基底中，制備用于固態柔性超級電容器的復合凝膠聚合物電解質（PVA/DES/OH-BNNSs GPEs）。 OH-BNNSs可以有效縮短離子傳輸距離，提高離子電導率。此外，它們優異的機械性能可以防止電解質結構在重復使用過程中發生坍塌。同時， DES的引入能夠提高離子電導率并拓寬超級電容器的工作電壓窗口。結果表面，由活性炭電極和 PVA/DES/OH-BNNSs GPE 組成的固態柔性超級電容器表現出寬的電壓窗口（2.3 V）、高的比電容（151.22 F g^-1）和出色的循環穩定性（98%）。該研究不僅為高效剝離絕緣層狀材料開辟了一條新途徑，而且還發現了一種用于固態柔性超級電容器的新型凝膠聚合物電解質。相關成果以“Electrochemical Preparation of Hydroxylated Boron Nitride Nanosheets for Solid?State Flexible Supercapacitors Using Deep Eutectic Solvent and Water Mixture as Electrolytes”為題發表在國際期刊Langmuir上。

03【核心創新點】

（1）提出了一步制備高質量OH-BNNSs的方法；

（2）發現了用于固態柔性超級電容器的新型復合凝膠聚合物電解質。

04【數據概覽】

圖 1. (a,b) 塊狀 h-BN 和 OH-BNNSs 的 SEM 圖（插圖：尺寸統計直方圖）。OH-BNNSs的（c）TEM 和（d）AFM 圖像（插圖：層數統計直方圖）。塊狀h-BN和OH-BNNSs的（e）XRD和（f）FTIR 圖。

圖 2.（a）塊狀 h-BN 和 OH-BNNSs 的 XPS 光譜。（b）塊狀 h-BN 和（c）OH-BNNS 的 B 1s 光譜。

圖?3.?h-BN、h-BN（DES 插層后）和 BNNSs?的（a）TGA和（b）XRD 圖。 (c) 三電極體系中 DES 的 CV 曲線。 (d) 電化學剝離機理示意圖。

圖?4.（a）固態超級電容器結構示意圖。 (b) PVA、PVA/DES 和 PVA/DES/OH-BNNSs GPEs 橫截面的 SEM 圖。

圖?5.（a）具有 PVA、PVA/DES 和 PVA/DES/OH-BNNSs GPEs?的超級電容器的 EIS 圖。 (b) 不同電解質的離子電導率。

圖?6. 具有（a）PVA/DES/OH-BNNSs 和（b）PVA/DES GPEs 的超級電容器的 GCD 曲線。 (c) 具有 PVA/DES/OH-BNNS 和 PVA/DES GPEs 的超級電容器的倍率性能，(d) Ragone圖和 (e) 循環穩定性。 (f) 串聯 具有PVA/DES/OH-BNNSs GPE 的超級電容器的 GCD 圖（插圖：兩個設備串聯點亮 3 V 燈泡的外觀）。

圖?7.（a）PVA/DES 和 PVA/DES/OH-BNNSs GPEs的應力-應變曲線。（b）PVA/DES 和 PVA/DES/OH-BNNSs GPEs 的拉伸強度、斷裂伸長率和模量。

圖?8. 具有PVA/DES/OH-BNNSs GPE的超級電容器在不同彎曲角度下的（a）GCD 圖和（b）比電容。

05【成果啟示】

采用電化學剝離法制備高質量OH-BNNSs是可行的，為絕緣層狀材料的高效剝離提供了新思路。具有 PVA/DES/OH-BNNSs GPE 的超級電容器表現出高的比電容，良好的循環壽命和柔韌性。結果表明OH-BNNSs和DES在柔性固態超級電容器中具有良好的應用前景。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.2c01153