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張海嬌Small Methods: K-功能化碳量子點誘導(dǎo)的碳納米籠用于超穩(wěn)定儲鉀

碳納米籠（CNCs）具有獨特的形態(tài)和結(jié)構(gòu)優(yōu)點，在能量存儲和轉(zhuǎn)換方面引起了越來越多的關(guān)注。然而，迄今為止報道的CNC合成受到相對苛刻的條件和昂貴原材料的影響。

在此，上海大學(xué)張海嬌研究員等人基于低成本葡萄糖作為碳前體，創(chuàng)新地提出了一種簡便的K功能化碳量子點（K-CQDs）導(dǎo)向的水熱組裝路線用于合成獨特CNCs。具體制備流程如下：首先，檸檬酸在200 °C下熱解形成熔融CQD。然后，在攪拌下將KOH水溶液緩慢加入熔融CQDs中產(chǎn)生均勻的K功能化CQDs溶液。

隨后，進(jìn)一步加入作為碳源的葡萄糖和制成的約40nm的MgO納米顆粒并混合均勻。在水熱反應(yīng)之后，通過碳化工藝和酸蝕刻成功地獲得了具有均勻形態(tài)的獨特CNC。所制備的CNCs具有1077 m² g^-1的大比表面積、獨特的籠狀結(jié)構(gòu)和豐富的羧基，可以促進(jìn)離子/電子的傳輸且緩沖大體積膨脹，并為鉀存儲提供足夠的活性位點。

圖1. CNC合成過程的示意圖

因此，用于鉀離子電池的CNCs負(fù)極在100 mA g^-1循環(huán)200次后表現(xiàn)出270 mAh g^-1的高可逆能力和2000 mA g^-1下4000次循環(huán)后206 mAh g^-1的持久循環(huán)穩(wěn)定性。CV測試表明電化學(xué)反應(yīng)過程主要受表面電容行為的控制，這種高電容貢獻(xiàn)主要是由于CNCs電極的獨特籠狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）和恒電流間歇滴定（GITT）等動力學(xué)分析和DFT計算都表明，CQDs中豐富的羧基可以加速電子的傳輸并降低K離子的遷移能壘。重要的是，原位拉曼分析還發(fā)現(xiàn)了該負(fù)極吸附-插層型的鉀存儲機制。因此，這項工作將為巧妙設(shè)計用于先進(jìn)儲能的碳基電極材料提供可用且可靠的途徑。

圖2. CNCs負(fù)極的儲鉀性能

K-Functionalized Carbon Quantum Dots-Induced Interface Assembly of Carbon Nanocages for Ultrastable Potassium Storage Performance, Small Methods 2022. DOI: 10.1002/smtd.202101627

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