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

碳納米籠（CNCs）具有獨特的形態和結構優點，在能量存儲和轉換方面引起了越來越多的關注。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，上海大學張海嬌研究員等人基于低成本葡萄糖作為碳前體，創新地提出了一種簡便的K功能化碳量子點（K-CQDs）導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中產生均勻的K功能化CQDs溶液。

隨后，進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。在水熱反應之后，通過碳化工藝和酸蝕刻成功地獲得了具有均勻形態的獨特CNC。所制備的CNCs具有1077 m² g^-1的大比表面積、獨特的籠狀結構和豐富的羧基，可以促進離子/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負極在100 mA g^-1循環200次后表現出270 mAh g^-1的高可逆能力和2000 mA g^-1下4000次循環后206 mAh g^-1的持久循環穩定性。CV測試表明電化學反應過程主要受表面電容行為的控制，這種高電容貢獻主要是由于CNCs電極的獨特籠狀結構導致的。

電化學阻抗譜（EIS）和恒電流間歇滴定（GITT）等動力學分析和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，原位拉曼分析還發現了該負極吸附-插層型的鉀存儲機制。因此，這項工作將為巧妙設計用于先進儲能的碳基電極材料提供可用且可靠的途徑。

圖2. CNCs負極的儲鉀性能

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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