如今，环境污染与能源短缺问题日趋严峻，绿色环保、节能低碳理念愈发深入人心。锂离子电池（LIBs）已在日常生活中得到广泛应用。然而，随着对LIBs的需求持续攀升，锂资源却日益短缺，二者矛盾愈发尖锐。因此，开发高稳定性、低成本的新型储能系统，具有极为重要的研究价值与现实意义。基于此，betway必威中国许建雄教授课题组提出以酒糟生物质为原料合成碳纳米管/多孔碳复合材料用作钾离子电池阳极材料。以酒糟为原料、FeCl3/ZnCl2为活化剂，通过热解法制备出具有三维结构的Fe3C纳米颗粒-N掺杂碳纳米管/多孔碳（Fe₃C@N-CNPC）复合材料。运用XRD、SEM、TEM和BET分析手段对材料的晶体结构、微观结构以及比表面积进行了表征。深入探讨了合成过程中各组分所发挥的作用，并提出了Fe₃C@N-CNPC可能的形成机制。此外，还对Fe₃C@N-CNPC作为钾离子电池（PIB）阳极材料的性能进行了系统研究。相关成果“Fabrication of Fe3C nanoparticles embedded in N-doped carbon nanotubes/porous carbon 3D materials derived from distilled grains for high performance of potassium ion battery”发表在2022年8月15日的《合金与化合物杂志》（Journal of Alloys and Compounds）期刊上。论文通讯作者是杜晶晶教授和许建雄教授，第一作者是2019级研究生李顺。
本研究在FeCl3/ZnCl2活化剂的作用下，通过热解酒糟成功合成了Fe3C@N-CNPC三维结构复合材料。具体实验步骤如下：首先，在500 ℃的环境中进行预碳化处理，制备出氮掺杂的碳前体；随后，通过研磨的方式将N掺杂碳前体与FeCl₃/ZnCl₂活化剂进行物理混合；最后，将所得混合物置于900 ℃的高温环境下热解，成功制得Fe₃C@N-CNPC三维结构复合材料。研究结果表明，FeCl₃/ZnCl₂活化剂在Fe₃C@N-CNPC三维结构复合材料的形成过程中发挥了关键作用。在活化剂FeCl₃/ZnCl₂体系中，FeCl₃发生还原反应，生成了Fe0纳米粒子。这些Fe0纳米粒子作为催化剂，促使碳纳米管在多孔碳表面原位生长。所制备的Fe₃C@N-CNPC三维材料展现出优异特性，不仅拥有较大的比表面积和较高的石墨化程度，还具备丰富的多孔结构，以及大量分布在材料表面和内部的活性中心与表面官能团，有利于提升该材料在储能应用中的电化学性能。
(a)
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（a）Fe3C@N-CNPC的制备过程示意图，（b）嵌入Fe3C纳米颗粒的碳纳米管生长机制
由于氮掺杂、超结构和大比表面积的协同效应，基于Fe3C@N-CNPC的钾离子电池阳极表现出了优异的钾储存容量（在电流密度为100 mA g−1时，其比容量为273 mAh g−1）和出色的循环稳定性（在100 mA g−1的电流密度下循环570次后，容量保持率为94%）。这种新型的碳材料成本低、制备简单，在储能系统中具有广阔的应用前景。
该工作得到了国家自然科学基金（52174247、51974116、51874129）、湖南省自然科学基金（2021JJ30212、2020JJ4273、2020JJ5130）、必威官方首页官网科研创新基金（CX2022）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165130
