【研究背景】
碳质材料因其原料丰富、结构可控、导电性优异、化学稳定性好等优势而被公认为是最具潜力的钾离子电池（PIBs）负极材料之一。然而钾离子较大的半径和较低钾含量的嵌入化合物导致碳负极材料缓慢的电化学反应动力学和低的可逆容量。为了解决以上问题，许多合成方法已被用来构建各种碳基复合电极材料。其中，生物质衍生的碳材料由于成本低、环境友好和本征的杂原子掺杂等特点，在储能领域引起了学者们的极大兴趣。近年来，一些天然的生物质如真菌、松树、螃蟹壳等已被用来作为高性能碳电极材料的前驱体。然而，据我们所知，黑曲霉孢子衍生碳与介孔碳复合的研究鲜有报道。另一方面，具有可调孔结构和高表面积的介孔碳，不仅可以加速离子/电子的传输动力学，还可以有效缓解长循环过程中大的体积变化等。此外，杂原子掺杂是另外一种可以通过改变电极材料的表面浸润性、调控层间距、增强导电性来提高电化学性能的重要途径。因此，将杂原子掺杂的介孔碳与生物质衍生的碳强力耦合有望获得更高的钾离子存储容量和更稳定的循环性能。
【主要内容】
通过界面组装路线和简单的后硫化工艺，获得了一种储钾性能优异的杂原子掺杂的介孔碳复合材料，其中N，S共掺杂的介孔碳（NS-MC）很好地生长到生物质衍生的孢子碳上（SC）。这种独特的结构设计使所制备的NS-MC/SC复合材料具有丰富的介孔通道、扩大的层间距以及高含量的氮硫共掺杂。凭借这些优势，所得NS-MC/SC负极在100 mA·g−1的电流密度下循环300圈依然可保持350.4 mAh·g−1的高可逆储钾容量。理论模拟结果表明，N，S共掺杂是钾离子存储性能提高的主要原因。此外，原位拉曼光谱进一步验证了钾离子的嵌入/脱出的高可逆性。
图1.黑曲霉孢子的生长过程和NS-MC/SC复合材料的制备流程示意图。
图2.NS-MC/SC的（a）SEM图像（插图为表面放大图），（b-d）TEM图像，（e）HRTEM图像，（f）晶格计算结果，（g）STEM图像以及（h-k）C, O, N和S元素的对应元素映射。
图3.（a）0.1 mV·s-1扫速下NS-MC/SC电极前三个循环的CV曲线，（b）在100 mA·g-1下的恒流充放电曲线；（c）NS-MC/SC、N-MC/SC和SC电极的倍率性能，（d）在100 mA·g-1下的循环性能；（e）用于PIBs的NS-MC/SC电极与其他杂原子掺杂碳负极之间的循环性能比较；（f）在1000mA·g-1电流密度下NS-MC/SC、N-MC/SC和SC电极的长循环性能，（g）与钾离子电解液（EC:DEC=1:1 Vol%中具有0.8M KPF6）在2秒时的表面接触角。
图4.K+在（a）掺硫（C-S）、掺石墨氮（C-N1）、掺吡啶氮（C-N2）、掺吡咯氮（C-N3）碳层上的吸附点，以及(c)硫-石墨氮共掺（C-SN1）、硫-吡啶氮共掺杂（C-SN2）和硫-吡咯氮共掺杂（C-SN3）碳层，（b-d）每个位点上K离子的相应吸附能量，（e）K+的电荷密度差（等值为-0. 001 e/Å3）的K+吸附表面。黄色和青色的区域代表电子的积累和耗尽；（f）NS-MC/SC和N-MC/SC电极可能的储钾机制。
【结论与展望】
当前工作不仅为生物质衍生碳材料在储能中的应用提供了新的视角，也为获得高性能的介孔碳复合材料提供了一种可行的策略。
Huang N, Tang C, Jiang H, et al. Interfacial growth of N,S-codoped mesoporous carbon onto biomass-derived carbon for superior potassium-ion storage.Nano Research, 2023.
https://doi.org/10.1007/s12274-023-6045-8.