碳质材料因其制备简单、价格低廉以及优异的循环稳定性等优点而备受关注。然而，典型碳材料石墨的层间距（3.35 Å）不利于钾离子（K⁺）的嵌入反应。无定形碳材料具有短的晶体排列结构和增大的层间距，这有利于钾离子在负极中的嵌入/脱嵌反应，并能承受体积膨胀。针对这一问题，湖南工大学betway必威中国许利剑教授课题组独辟蹊径，选用香菇作为生物质碳原料。通过对煅烧温度的精准调控，成功制备出多孔杂原子掺杂蘑菇生物质碳（HDMC）。该材料有效缓解了电极在充放电过程中的体积膨胀问题；同时，其独特结构为电子与钾离子的快速传输搭建了高效通道。相关成果“A mushroom derived biomass carbon as high-stability anode for potassium ion battery”发表在2022年11月的《合金与化合物杂志》（Journal of Alloys and Compounds）。论文通讯作者是杜晶晶教授和唐曾民讲师，第一作者是许利剑教授。

作为一种天然植物，蘑菇作为生物质碳具有以下两个优势：（1）蘑菇的天然蓬松结构有利于增加生物质碳材料的比表面积；（2）蘑菇中含有丰富的杂原子，其为HDMC提供的杂原子（如 N、S和P等）能够通过调整电子排列来增强生物质碳材料的电化学性能并改善电池性能，因此HDMC掺杂了丰富的杂原子，以此提升生物质碳的电化学性能。本研究使用普通的香菇作为生物质碳源。首先，将普通香菇进行洗涤和破碎预处理，并进行冷冻干燥。待样品冻干完成后，将其研磨成粉末状。随后，在10%的磷酸溶液中进行高温水热处理，获得磷（P）掺杂的前驱体。完成水热处理后，将干燥的粉末在氩气气氛下于设定的温度下进行碳化，从而获得蘑菇生物质碳。随后，利用该材料组装成钾离子电池，并对其电化学性能展开全面测试。

香菇衍生的生物质碳HDMC表面呈现出大量褶皱，这种独特的微观形貌，能够有效扩大材料的比表面积，进而为提升其电化学性能创造有利条件。从结构特征来看，HDMC具有典型的无定形无序结构，这种结构特点对于钾离子（K⁺）的脱嵌过程极为有利。此外，HDMC在元素构成方面富含氮（N）、硫（S）、磷（P）以及氧（O）等杂原子。电化学性能测试中，HDMC展现出了卓越的倍率性能以及超过5000次循环的长期循环寿命。其出色的电化学性能主要源于两方面因素：一是碳材料表面均匀分布的孔隙，这些孔隙为离子传输提供了高效通道；二是材料中各种杂原子的协同作用，杂原子的存在优化了材料的电子结构，进而改善了反应动力学过程，显著提高了钾存储容量。对HDMC合成策略及其电化学性能的深入研究，为借助杂原子掺杂手段开发先进碳质材料提供了一种极具前景的方法，有望推动该领域的进一步发展与突破。

该工作得到了湖南省自然科学基金（2020JJ4273和2020JJ5130），湖南省教育厅项目（21C0426）的支持。

论文链接：doi:10.1016/j.jallcom.2022.167820