许建雄教授课题组《Journal of Alloys and Compounds》：Fe3C纳米颗粒嵌入酒醩衍生的N掺杂碳纳米管/多孔碳3D材料制备高性能钾离子电池

钾离子电池(PIBs)具有资源丰富、成本低廉、环境友好及能量密度高等优点,成为替代锂离子电池(LIBs)的理想新型储能体系。由于钾离子具有比锂离子更大的离子半径，由此而导致的动力学缓慢以及在电极材料中产生的巨大体积膨胀使得储能器件的倍率与长循环寿命大大受损，严重阻碍了其实际应用。针对此问题，湖南工业大学摩电传感课题组许建雄教授提出了以酒糟生物质为原料制备了硬碳材料用作钾离子电池阳极材料。经过碳掺杂和活性剂活化，实现了对酒糟生物质硬碳材料的表面官能团以及表面碳纳米管修饰，有效地缓解了钾离子嵌入/脱出过程到来的体积应变，提高了离子传输速率。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Journal of Alloys and Compounds《合金化合物》期刊上。论文通讯作者是许建雄教授和杜晶晶教授、第一作者是李顺，合作企业是广西丹泉酒业。

酒糟（酒渣）是大米、小麦、高粱等发酵酿酒后的残渣。发酵后的酒糟含蛋白质、粗脂肪、粗纤维、淀粉等。我国是白酒制造与消费大国，每年白酒行业产生约1亿吨酒糟固体废弃物。对于酒糟的资源化利用和开发高附加值的产品具有重要的经济和社会价值，但是直接碳化得到的酒糟生物质碳材料的结构和组成难以满足高性能PIB对于电极活性材料的要求。基于此，作者以酒糟生物质炭为原料，依次通过水热氮掺杂、预碳化、化学活化和高温碳化制备出具有Fe3C嵌入氮掺杂碳纳米管包覆多孔碳纳米功能材料。（1）氮掺杂，在碳原子骨架内的石墨化氮可以为材料提供更好的导电性，表面的含氮官能图（吡啶氮和吡咯氮）可以使电解质与电极表面接触更充分，同时也为钾离子的吸附和存储提供更多的活性位点；（2）在氯化铁和氯化锌混合活化剂的作用下，BC-M-FeCl3/ZnCl2，表面呈现出多壁碳纳米管包覆堆叠的“网状”结构，并由此产生了大量的介孔和微孔结构，有效的缓解了钾离子嵌入/脱出过程带来的体积应变，同时提高了离子传输速率。组装的 PIBs 在 50 mA g-1 的电流密度下，比容量为 280.5 mAh g-1。同时，保持稳定的库伦效率，极低的容量衰减（0.01%/cycle），BC-M-FeCl3/ZnCl2 在 PIBs 阳极材料的开发中表现出巨大的潜力。该工作得到了国家自然科学基金面上项目，湖南省自然科学基金和湖南工业大学科研创新基金的支持。广西丹泉酒业为此工作的开展提供了有利的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165130