中国科学技术大学材料科学与工程系陈乾旺

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锂离子电池在工业生产和生活中得到了广泛的应用。然而，由于锂资源相对较少且分布不均，锂离子电池不能满足储能系统的需求。寻求一种可替代锂离子电池的金属离子电池成为亟待解决的问题。钾储量丰富且电化学性质与锂相当，因此钾离子电池的发展对未来大规模储能具有战略意义。在钾离子电池负极材料中，资源丰富、环境友好的碳基材料得到了广泛的研究，利用杂原子掺杂来调节碳材料的结构并产生更多的活性位点，有利于钾离子的存储。对于氮掺杂的碳材料而言，根据理论计算，吡啶氮和吡咯氮可以有效的提高钾的吸附，从而能提高碳材料的储钾性能。然而，制备一种具有高的氮含量，同时具有高的吡啶氮和吡咯氮含量的碳材料仍然存在挑战。

       中国科学技术大学陈乾旺教授课题组针对这一问题，通过对高能金属有机框架（MET-6）进行热解成功制备了高氮掺杂的碳材料，其中800℃制备样品其氮含量高达13.57 at%，且具有很高的吡啶氮（46.6%）和吡咯氮（29.1%）含量。除此之外，这种材料还具有超高的比表面积和丰富的孔隙结构，应用于钾离子电池负极材料时，表现出了极佳的倍率性能（在10 A g-1 和20 A g-1的电流密度下，其容量为144 mAh g-1 和105 mAh g-1）和优异的循环稳定性（在1 A g-1电流密度下循环2000圈的容量仍可保持在258.9 mAh g-1）。同时，结合理论计算和电化学测试分析，系统研究了该材料的储钾机制。
       这项工作为高能MOFs的应用提供了一个新的思路，也提供了一种新的方法来制备高的吡啶氮和吡咯氮含量的碳材料。相关研究论文发表于Small (DOI: 10.1002/smll.202002771)上，题为”Energetic Metal-Organic Frameworks Derived Highly Nitrogen-Doped Porous Carbon for Superior Potassium Storage”。