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汪國秀/劉浩/張秀云Nano Lett.: 用于高性能鉀電池的Sb單原子/量子點復合材料

鉀離子電池（PIB）因其豐富的鉀自然儲量、傳統電解液中的高離子電導率及與鋰相似的化學性質而提供了巨大的前景。然而，K⁺的大半徑導致鉀化過程中體積膨脹大和動力學緩慢，納米復合電極的合理電子結構工程顯示出提高可充電電池電化學性能的巨大希望。

在此，澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授、劉浩及揚州大學張秀云教授等人設計并合成了一種分層納米復合材料（Sb SQ@MA），其中銻單原子（SA）和量子點（QD）錨定在基于Ti₃C₂T_x MXene的氣凝膠上。Ti₃C₂T_x納米片具有廣泛暴露的基面、豐富的表面官能團及優異的電子導電性和機械性能，是固定0D Sb SA和QD的理想主體。Sb QD有助于提高鉀存儲容量，同時縮短Na⁺傳輸路徑。更重要的是，Sb SAs的摻入可以增強Sb QDs和Ti₃C₂T_x MXene之間的相互作用，提高電荷轉移動力學并提高界面處的鉀吸附能力。

此外，為了進一步增強電極結構穩定性并克服Ti₃C₂T_x MXene不可避免的重新堆疊傾向，作者巧妙地構建了一種氧化石墨烯（GO）輔助的3D多孔Ti₃C₂T_x基氣凝膠。

圖1. Sb SQ@MA復合材料的合成過程和結構特征

因此，Sb SQ@MA電極在0.1 A g^-1的電流密度下提供了521 mAh g^-1的高可逆容量，而原始的Ti₃C₂T_x/石墨烯負極在相同條件下僅表現出106 mAh g^-1的低容量，這表明Sb組分對Sb SQ@MA的高容量做出了重大貢獻。Sb SQ@MA的放電和充電曲線從第2次到第100次循環幾乎一致，表明復合材料具有良好的結構穩定性。

此外，Sb SQ@MA電極在1 A g^-1的電流密度下1000次循環后也可以提供94%的高容量保持率。作者利用原位XRD和非原位TEM表征揭示了該復合材料的儲鉀機制，證實了合理設計結構的優越性。總之，這項研究為設計和開發用于電化學儲能和轉換的獨特結構的單原子材料提供了啟示。

圖2. 所制備電極材料的儲鉀性能

MXene-Based Aerogel Anchored with Antimony Single Atoms and Quantum Dots for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Nano Letters 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04389

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