【研究背景】

碳纳米材料以其丰富的来源、优异的导电性和灵活可控的制备方法等优势，被认为是极具发展前景的储能材料。然而，较低的理论容量严重影响了其电化学储钾性能。值得一提的是，作为碳材料家族中独特的一员，碳纳米笼的出现极大拓展了碳材料的应用范围。然而，目前报道的制备碳纳米笼的方法，通常需要昂贵的原材料和/或相对苛刻的制备工艺。因此，为解决以上问题，该工作采用低成本的葡萄糖作为碳源，通过钾功能化碳量子点的诱导组装水热路线，获得了具有独特多孔结构和丰富羧基的碳纳米笼，并研究了其作为钾离子电池负极材料的电化学性能。

【主要内容】

首先，柠檬酸在高温下热解形成熔融的碳量子点，然后在搅拌下将氢氧化钾水溶液缓慢加入熔融的碳量子点中，产生均匀的钾功能化的碳量子点溶液。随后，进一步加入葡萄糖和预制备的氧化镁纳米颗粒，并均匀混合。经过水热、碳化和酸刻蚀等过程后，成功获得了具有独特结构的碳纳米笼。电镜结果表明，所得碳纳米笼具有均一的形貌和明显的层状结构。这些二维超薄碳纳米片组装成的三维分级笼状结构可以有效地缓解充放电过程中较大的体积变化，并提高整个电极的结构稳定性，进而提升钾离子的存储能力。

之后，作者研究了该纳米笼作为钾离子电池负极材料的电化学存储性能。如上图所示，经过200次循环后，碳纳米笼电极材料仍具有270 mAh g^-1的高可逆容量，库仑效率接近100%；即使在2000 mA g^-1的大电流密度下，4000次循环后仍能保持206 mAh g^-1的优异可逆容量。原位拉曼技术表明，所得碳纳米笼电极具有较高的电化学可逆性和良好的结构稳定性。密度泛函理论模拟计算进一步证实，得益于钾功能化的碳量子点带来的丰富羧基，能够显着提高碳纳米笼电极的钾存储能力。

【结论与展望】

提出了一种K功能化碳量子点的诱导组装策略，用于合理设计多孔碳纳米笼。所得材料具有高的比表面积，独特的笼状结构以及丰富的表面功能基团等。这些独特的结构和组成优势，不但有利于离子/电子的快速传输，也为钾离子的稳定存储提供了更多的活性位点。

Yu Hu, Cheng Tang, Fengting Lv, Aijun Du, Zhong-Shuai Wu, Haijiao Zhang*. K-Functionalized Carbon Quantum Dots Induced Interface Assembly of Carbon Nanocages for Ultrastable Potassium Storage Performance. Small Methods,2022.

https://doi.org/10.1002/smtd.202101627