可充电钾离子电池（PIBs）以其丰富的钾储量和较低的成本成为商品化锂离子电池的潜在替代品。近年来，学术界和产业界在研究钾离子电池电极材料的电化学特性以及在机理设计方面，取得了令人鼓舞的成果，但是距离实际应用还有较大差距。多孔工程通常被视为提高钾离子储存性能的有效策略之一，因其能够提供丰富的吸附位点和缩短的离子扩散距离。然而，关于大孔组分在钾的储存中所起的作用还缺乏详细的研究，迄今为止鲜有报道。

　　河北科技大学王波教授团队通过热解聚单宁酸前驱体制备了大孔组分与缺陷结构耦合的石墨碳纳米片。由于聚单宁酸在热解过程中沿不同方向和尺度会产生空间受限的两步局部收缩，因此确保了缺陷和大孔结构的形成。并通过碳化温度的调控实现了缺陷与石墨化度之间的平衡。这些优势不仅有利于离子/电子的快速传递，并且促进了电容行为的钾储存，从而实现了高容量、倍率以及循环稳定性。相关论文以题为“Rationally Tailoring Superstructured Hexahedron Composed of Defective Graphitic Nanosheets and Macropores: Realizing Durable and Fast Potassium Storage”发表在Advanced Science。

图1. 缺陷/大孔耦合碳纳米片的合成示意图

图2. 三种不同碳化产物的形貌表征。a-c) SEM图像。d-f) TEM图像。g-i) HRTEM图像。j) 环形暗场STEM图像以及k, l) 元素映射。

图3. 三种不同碳化产物的结构表征。a) XRD。b)拉曼。c) XPS图谱。d-f) C 1s高分辨图谱。g）比表面积。h) 孔尺寸分布。

图4. a, b)三种产物在0.1 A g−1的首圈和第五圈充放电曲线。c)三种产物的倍率对比。d) 900℃碳化产物与文献报道碳材料的倍率对比。e-g）三种产物的循环对比。

图5. a)900℃碳化产物在不同扫速下的CV曲线。b)三种碳化产物的b值对比。c) 900℃碳化产物在扫速2 mV s−1下的电容贡献。d）三种碳化产物在不同扫速下的电容贡献，e) GITT曲线以及f）钾离子扩散系数。g) 900℃碳化产物在不同状态下的EIS图谱。h)容量以及容量保留率随温度的变化。i) 碳结构物理参数随温度的变化。

图6. a-c) 900℃碳化产物在不同状态的TEM图像。d-f) 900℃碳化产物在不同充放电状态的XRD和拉曼图谱以及g) 对应ID/IG值。900℃碳化产物在初始和放电到0.01 V状态的XPS 对比：h) C 1s、i) F 1s以及j) S 2p。

图7. a)归一化的充放电曲线（900℃碳化产物负极、普鲁士蓝正极以及两者组成的全电池）。b）全电池在不同电流密度下的充放电曲线。c) 全电池的能量密度-功率密度图。d) 全电池在不同循环圈数下的充放电曲线。e) 全电池的长循环性能。

　　综上所述，本文通过热解聚单宁酸前驱体来制备了缺陷/大孔耦合的石墨碳纳米片。聚单宁酸在热解过程中沿不同方向和尺度会产生空间受限的两步局部收缩，因此确保了缺陷和大孔结构的形成。并通过碳化温度的调控实现了缺陷与石墨化度之间的平衡。研究结果表大孔结构的存在有利于加速电解液离子在电极内的快速渗透，其孔隙体积可以适应循环过程中电极结构的波动，而最合适的缺陷与石墨的比例同时提供了丰富的离子吸附位点和充足的电子转移通道。非原位Raman表明缺陷位点在钾化过程中会被钾离子逐渐占据并且在随后的去钾化过程中随着钾离子的解吸而快速恢复。通过匹配普鲁士蓝正极与优化的负极，所得到的钾离子全电池具有高容量和长循环寿命，突出了其实际应用的前景。本文工作为理解大孔组分在钾离子存储过程中的作用提供了见解，同时也为合成高容量以及长循环的碳负极提供了新思路。

信息来源：公众号【材料科学与工程】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。