地球上豐富的硬碳具有更豐富的K存儲位點(diǎn)和比石墨更寬的層間距離，因此作為鉀離子電池（KIB）的負(fù)極材料而受到廣泛關(guān)注，但電化學(xué)可逆性較低。

在此，華東理工大學(xué)江浩教授、陳靈等人通過將Se原子精確摻雜到碳邊緣和隨后與吡啶-N成鍵形成獨(dú)特的N-Se-C共價(jià)鍵，展示了具有局域電子構(gòu)型的新型Se/N共摻雜硬碳納米管（h-CNTs）。其中，Se/N共摻雜h-CNTs自支撐電極的具體制備過程如下：首先，將直徑約為25 nm的硒納米線合成為自犧牲模板。然后，可通過多巴胺在Se納米線表面的自聚合得到Se@聚多巴胺（PDA）核/殼納米線。在隨后的加熱過程中，Se逐漸氣化并被預(yù)碳化的PDA捕獲。

最后，在600 °C碳化后獲得Se/N共摻雜的h-CNTs。研究表明，d軌道上Se原子的強(qiáng)給電子能力提供了豐富的自由電子，有效地緩解了吡咯N-C鍵的電荷極化，有助于平衡K⁺的吸附/解吸，從而大大提高了可逆的K⁺存儲容量。

圖1. Se/N共摻雜h-CNTs自支撐電極合成示意圖及表征

因此，組裝的Se/N共摻雜的h-CNTs自支撐負(fù)極在0.2 A g^-1時可提供高達(dá)345 mAh g^-1的可逆K⁺存儲容量。當(dāng)以8.0 A g^-1的電流密度循環(huán)2000次時容量仍保持在209 mAh g^-1，對應(yīng)的容量保持率為93.3%。在循環(huán)過程中相應(yīng)的CE值始終超過 99.6%，循環(huán)后Se/N含量基本不變。更顯著的是，在1.5 ~ 12.4 mg cm^-2重量范圍內(nèi)，自支撐負(fù)極的重量容量沒有明顯變化，同時面積容量線性增加至最大值為4.06 mAh cm^-2。此外，作者通過DFT計(jì)算、可視化operando拉曼映射和非原位XPS分析揭示了高度可逆的K⁺存儲機(jī)制，證實(shí)了Se/N共摻雜h-CNTs優(yōu)越的去鉀化可逆性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？傊?，這項(xiàng)工作為提高硬碳的K⁺存儲性能及其相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用提供了新的見解。

圖2. Se/N共摻雜的h-CNTs自支撐負(fù)極的K⁺存儲性能

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