张海娇Small Methods: K-功能化碳量子点诱导的碳纳米笼用于超稳定储钾

碳纳米笼（CNCs）具有独特的形态和结构优点，在能量存储和转换方面引起了越来越多的关注。然而，迄今为止报道的CNC合成受到相对苛刻的条件和昂贵原材料的影响。

在此，上海大学张海娇研究员等人基于低成本葡萄糖作为碳前体，创新地提出了一种简便的K功能化碳量子点（K-CQDs）导向的水热组装路线用于合成独特CNCs。具体制备流程如下：首先，柠檬酸在200 °C下热解形成熔融CQD。然后，在搅拌下将KOH水溶液缓慢加入熔融CQDs中产生均匀的K功能化CQDs溶液。

随后，进一步加入作为碳源的葡萄糖和制成的约40nm的MgO纳米颗粒并混合均匀。在水热反应之后，通过碳化工艺和酸蚀刻成功地获得了具有均匀形态的独特CNC。所制备的CNCs具有1077 m² g^-1的大比表面积、独特的笼状结构和丰富的羧基，可以促进离子/电子的传输且缓冲大体积膨胀，并为钾存储提供足够的活性位点。

图1. CNC合成过程的示意图

因此，用于钾离子电池的CNCs负极在100 mA g^-1循环200次后表现出270 mAh g^-1的高可逆能力和2000 mA g^-1下4000次循环后206 mAh g^-1的持久循环稳定性。CV测试表明电化学反应过程主要受表面电容行为的控制，这种高电容贡献主要是由于CNCs电极的独特笼状结构导致的。

电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定（GITT）等动力学分析和DFT计算都表明，CQDs中丰富的羧基可以加速电子的传输并降低K离子的迁移能垒。重要的是，原位拉曼分析还发现了该负极吸附-插层型的钾存储机制。因此，这项工作将为巧妙设计用于先进储能的碳基电极材料提供可用且可靠的途径。

图2. CNCs负极的储钾性能

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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张海娇Small Methods: K-功能化碳量子点诱导的碳纳米笼用于超稳定储钾

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