许利剑教授课题组《Journal of Alloys and Compounds》：一种源自蘑菇的生物质碳作为高稳定性钾离子电池负极

碳质材料因其制备简单、价格低廉以及优异的循环稳定性等优点而备受关注。然而，典型碳材料石墨的层间距（3.35 Å）不利于钾离子（K⁺）的嵌入反应。无定形碳材料具有短的晶体排列结构和增大的层间距，这有利于钾离子在负极中的嵌入/脱嵌反应，并能承受体积膨胀。针对该问题，湖南工大学的摩电传感课题组的许利剑教授提出了以香菇为生物质碳原料，通过优化煅烧温度，得到了具有高的表面积和丰富的杂原子掺杂（氮、硫和磷）的多孔杂原子掺杂蘑菇生物质碳（HDMC），不仅提供了足够的空隙空间来缓解电极的体积膨胀，还为电子和钾离子的快速传输提供了高效的通道。相关成果“A mushroom derived biomass carbon as high-stability anode for potassium ion battery”发表在2022年11月1日的Journal of Alloys and Compounds《合金化合物》期刊上。论文通讯作者是杜晶晶教授和唐曾民老师、第一作者是许利剑。

作为一种天然植物，蘑菇作为生物质碳具有以下两个个优势：（i）蘑菇的天然蓬松结构有利于增加生物质碳材料的比表面积；（2）蘑菇中含有丰富的杂原子，其为HDMC提供的杂原子（如 N、S和P等）能够通过调整电子排列来增强生物质碳材料的电化学性能并改善电池性能，因此掺杂是被视为改善碳材料电化学性能的一种行之有效的策略。在具体工作中，将冻干的普通蘑菇在酸性条件下通过水热反应进行处理，以获得磷（P）掺杂的前驱体。然后将所得产物在氩气气氛下于设定的温度下进行碳化，从而获得蘑菇生物质碳（如图a所示）。在500 ^oC 煅烧下得到的HDMC-500的表面存在大量褶皱（如图b所示），这有利于扩大比表面积并提高电化学性能；HDMC-500具有典型的无定形无序结构，这有利于钾离子（K⁺）的脱嵌（如图c所示）；图也进一步证明了前驱体富含N、S、P，并且由于热分解不充分而存在残留氧（如图d-i）。HDMC-500展现出了卓越的倍率性能以及超过5000次循环的长期循环寿命。其优异的电化学性能可归因于碳材料表面均匀分布的孔隙以及各种杂原子的协同效应，这改善了反应动力学并提高了钾存储容量。我们相信这种合成策略为通过杂原子掺杂开发先进的碳质材料提供了一种很有前景的方法。该工作得到了湖南省自然科学基金和湖南省教育厅项目。论文链接：doi:10.1016/j.jallcom.2022.167820