汪国秀/刘浩/张秀云Nano Lett.: 用于高性能钾电池的Sb单原子/量子点复合材料

钾离子电池（PIB）因其丰富的钾自然储量、传统电解液中的高离子电导率及与锂相似的化学性质而提供了巨大的前景。然而，K⁺的大半径导致钾化过程中体积膨胀大和动力学缓慢，纳米复合电极的合理电子结构工程显示出提高可充电电池电化学性能的巨大希望。

在此，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授、刘浩及扬州大学张秀云教授等人设计并合成了一种分层纳米复合材料（Sb SQ@MA），其中锑单原子（SA）和量子点（QD）锚定在基于Ti₃C₂T_x MXene的气凝胶上。Ti₃C₂T_x纳米片具有广泛暴露的基面、丰富的表面官能团及优异的电子导电性和机械性能，是固定0D Sb SA和QD的理想主体。Sb QD有助于提高钾存储容量，同时缩短Na⁺传输路径。更重要的是，Sb SAs的掺入可以增强Sb QDs和Ti₃C₂T_x MXene之间的相互作用，提高电荷转移动力学并提高界面处的钾吸附能力。

此外，为了进一步增强电极结构稳定性并克服Ti₃C₂T_x MXene不可避免的重新堆叠倾向，作者巧妙地构建了一种氧化石墨烯（GO）辅助的3D多孔Ti₃C₂T_x基气凝胶。

图1. Sb SQ@MA复合材料的合成过程和结构特征

因此，Sb SQ@MA电极在0.1 A g^-1的电流密度下提供了521 mAh g^-1的高可逆容量，而原始的Ti₃C₂T_x/石墨烯负极在相同条件下仅表现出106 mAh g^-1的低容量，这表明Sb组分对Sb SQ@MA的高容量做出了重大贡献。Sb SQ@MA的放电和充电曲线从第2次到第100次循环几乎一致，表明复合材料具有良好的结构稳定性。

此外，Sb SQ@MA电极在1 A g^-1的电流密度下1000次循环后也可以提供94%的高容量保持率。作者利用原位XRD和非原位TEM表征揭示了该复合材料的储钾机制，证实了合理设计结构的优越性。总之，这项研究为设计和开发用于电化学储能和转换的独特结构的单原子材料提供了启示。

图2. 所制备电极材料的储钾性能

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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