Nano Res.│四川大学张永志：火焰辅助法制备杂原子掺杂石墨烯及其在超快钾离子传输中的应用

背景介绍

锂离子电池的快速发展加剧了锂资源的短缺，并造成锂价的持续攀升。与锂相比，钾资源丰富，分布广泛，且与钠离子相比，钾离子具有更低的标准还原电位（−2.93 V vs. SHE），使钾离子电池具有相对更高的能量密度，因此近年来钾离子电池重新获得关注。然而，与锂和钠相比，钾较大的离子半径（1.38 Å）则会造成充放电过程中钾离子的传输迟缓和电池的电压滞后。因此，开发钾离子快速传输的电极材料是钾离子电池推广应用的关键挑战之一。石墨烯因其高的比表面积和良好的导电性被广泛用作钾离子电池负极材料，其储钾能力通过杂原子掺杂能够得到进一步提升，如何经济高效地制备杂原子掺杂石墨烯是石墨烯大规模应用的重要前提。

成果简介

四川大学张永志副研究员、肖丹教授和澳大利亚新南威尔士大学赵川教授通过微波诱导的火焰辅助掺杂法，利用较少的氮源加入量快速制备得到了氮原子含量高达12.75%的高缺陷氮掺杂石墨烯（N-rGO），将其作为钾离子电池负极材料表现出超快的钾离子传输和优异的钾离子存储性能，定量分析和计算模拟被用来揭示钾离子快速传递和存储的机制。此外，该论文报道的微波诱导火焰辅助掺杂法还被用来制备硫掺杂石墨烯（S-rGO），并通过调节微波时间和硫源加入量实现了硫元素的可控掺杂，表明该方法对于杂原子掺杂石墨烯的制备具有普适性和可控性。

图文导读

图1 N-rGO 合成示意图

图2 N-rGO的形貌和微观结构分析

图3 GO、rGO和N-rGO结构的谱学分析

图4 N-rGO作为钾离子电池负极材料的电化学性能

图5 GO、rGO和N-rGO的交流阻抗分析

图6 N-rGO负极储钾定量分析

图7 在不同石墨烯结构中钾吸附能力的理论模拟

作者简介

张永志，四川大学新能源与低碳技术研究院副研究员，硕士生导师。主要从事锂/钠/钾离子电池、超级电容器关键电极材料和固体储氢材料的设计研发及其产业化应用研究，在Nano Energy, Small, J. Mater. Chem. A, J. Power Sources等期刊上发表SCI论文三十余篇，作为项目负责人承担省部、国家级及横向项目十余项。

联系方式：zhangyz@scu.edu.cn

肖丹，四川大学化学工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为电化学分析、化学与生物传感器和新能源材料与器件等，承担国家自然科学基金重大仪器专项等科研项目十余项，申报国家发明专利数十项，在Nat. Catal., Adv. Mater., ACS Energy Lett., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等学术期刊上发表SCI 论文200 余篇。

联系方式：xiaodan@scu.edu.cn

赵川，澳大利亚新南威尔士大学化学院终身教授，皇家澳大利亚电化学会主席，澳大利亚研究委员会Future Fellow，英国皇家化学会会士（FRSC），澳洲皇家化学会会士（FRACI），皇家新南威尔士会会士（FRSN）。研究兴趣包括纳米电化学技术及其在清洁能源中的应用。近年来发表高水平SCI论文百余篇，包括多篇以通讯作者发表的Nat. Commun.、JACS以及热点论文和高引用频率排行论文。其科研成果多次被包括新华社在内的国际主流新闻媒体报道，获国际发明专利5项、澳大利亚发明专利5项，多项成果商业化，其制氢项目2016年入选中国科技部首个海外高科技火炬创新园。

联系方式：chuan.zhao@unsw.edu.au

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文章信息

Yongzhi Zhang, Xianjue Chen, Wanglai Cen, Wenhao Ren, Haocheng Guo, Sicheng Wu, Yang Xiao, Sheng Chen, Yong Guo, Dan Xiao^* & Chuan Zhao^*. Flash-assisted doping graphene for ultrafast potassium transport. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-4023-6.