钠离子电容器结合了可充电电池的高能量密度和传统超级电容器的高功率密度，在电化学储能领域备受关注。其中，硬碳是目前研究最广泛的钠离子存储器件电池型负极之一，其具有高容量与低放电电位。但是，硬碳的非晶态结构缺少有序的导电网络，这导致钠离子在无序碳层间的扩散能垒提升，导致受限的倍率性能与缓慢的动力学。与此同时，硬碳的随机微孔难以形成连续离子传输通道，钠离子需反复穿越碳层屏障。为了解决这些挑战，研究人员已经开发多种策略来优化硬碳的结构和化学性质以提高钠存储容量和动力学性能，如杂原子掺杂（N、B、O、S、P）、高温石墨化等。而硼碳氮（BCN）作为一种衍生自传统碳的三元材料，近年来在电化学储能领域备受关注。通过调控B/N掺杂比例，可连续调节碳材料的能带结构和费米能级，为优化电极反应动力学提供了丰富的调控维度。然而，BCN材料通常面临比表面积不足、孔隙结构不发达的问题。致密的碳骨架限制了电解液的充分浸润，使得大量活性位点埋藏在材料内部无法被利用，同时Na+在体相中的扩散路径较长，严重制约了倍率性能的提升。如何在保持B/N掺杂优势的同时，构建发达的孔隙结构，成为BCN负极材料设计的突破口。
针对上述问题，本工作提出一种一步法KOH辅助BCN合成的全新策略，通过在前驱体中加入KOH并进行一步法煅烧，在碳化过程中同步实现BCN材料的多级孔隙构筑、有序碳域构建和B/N均匀掺杂，在引入大量优化的活性位点的同时，优化了材料的传输动力学，实现了改性碳材料的容量提升和倍率性能优化。由上述原位KOH活化策略指导合成的BCN材料在0.05 A·g-1下可逆容量为371 mAh·g-1，且具备扩散-表面电容协调的动力学过程。基于BCN//AC（市售活性炭）的储钠器件最高可获得128.4 Wh·kg-1的高能量密度，进一步通过密度泛函理论（DFT）进行分析，差分电荷密度揭示原位KOH活化制备的BCN在钠离子吸附后靠近空位缺陷的电荷积累逐渐减少，这有利于在掺杂位点吸附钠离子，同时B/N原子的分散可以充分发挥杂原子对材料的改性作用。同时，该BCN材料具有的高吸附能可以增强表面电容的存储容量，而低Na+迁移能垒可优化整体储钠过程。这种一步法KOH活化策略为碳材料的高容量超快储钠开辟了新的途径。
原位KOH活化制备多孔BCN材料合成策略及其增强钠离子存储机理示意图
以上研究成果以“Collaborative optimization of N, B species and porosity in BCN via one-step activation for superior sodium storage”为题发表在国际期刊《Chemical Engineering Journal》（新锐分区I区，TOP期刊）上，材料学部2023级研究生许扬为第一作者，史栋讲师和郝霄鹏教授为文章的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）科教产融合重大创新项目和山东省泰山学者计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174804