​华东理工江浩/陈灵AFM：设计Se/N共掺杂硬碳纳米管用于优异的钾存储

地球上丰富的硬碳具有更丰富的K存储位点和比石墨更宽的层间距离，因此作为钾离子电池（KIB）的负极材料而受到广泛关注，但电化学可逆性较低。

在此，华东理工大学江浩教授、陈灵等人通过将Se原子精确掺杂到碳边缘和随后与吡啶-N成键形成独特的N-Se-C共价键，展示了具有局域电子构型的新型Se/N共掺杂硬碳纳米管（h-CNTs）。其中，Se/N共掺杂h-CNTs自支撑电极的具体制备过程如下：首先，将直径约为25 nm的硒纳米线合成为自牺牲模板。然后，可通过多巴胺在Se纳米线表面的自聚合得到Se@聚多巴胺（PDA）核/壳纳米线。在随后的加热过程中，Se逐渐气化并被预碳化的PDA捕获。

最后，在600 °C碳化后获得Se/N共掺杂的h-CNTs。研究表明，d轨道上Se原子的强给电子能力提供了丰富的自由电子，有效地缓解了吡咯N-C键的电荷极化，有助于平衡K⁺的吸附/解吸，从而大大提高了可逆的K⁺存储容量。

图1. Se/N共掺杂h-CNTs自支撑电极合成示意图及表征

因此，组装的Se/N共掺杂的h-CNTs自支撑负极在0.2 A g^-1时可提供高达345 mAh g^-1的可逆K⁺存储容量。当以8.0 A g^-1的电流密度循环2000次时容量仍保持在209 mAh g^-1，对应的容量保持率为93.3%。在循环过程中相应的CE值始终超过 99.6%，循环后Se/N含量基本不变。更显著的是，在1.5 ~ 12.4 mg cm^-2重量范围内，自支撑负极的重量容量没有明显变化，同时面积容量线性增加至最大值为4.06 mAh cm^-2。此外，作者通过DFT计算、可视化operando拉曼映射和非原位XPS分析揭示了高度可逆的K⁺存储机制，证实了Se/N共掺杂h-CNTs优越的去钾化可逆性和结构稳定性。总之，这项工作为提高硬碳的K⁺存储性能及其相关的实际应用提供了新的见解。

图2. Se/N共掺杂的h-CNTs自支撑负极的K⁺存储性能

Engineering Se/N Co-Doped Hard CNTs with Localized Electron Configuration for Superior Potassium Storage, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202211661