许建雄教授课题组《Journal of Alloys and Compounds》：基于蒸馏颗粒的掺氮碳纳米管/多孔碳3D材料中嵌入Fe3C纳米粒子的制备，用于高性能钾离子电池
如今，由于环境污染和能源短缺问题的日益严重，绿色环保和节能低碳的理念逐渐深入人心。锂离子电池（LIBs）在人们的日常生活中得已经到了广泛应用。然而，锂离子电池需求的不断增长与锂资源的逐渐短缺之间的矛盾日益尖锐。因此，开发高稳定性、低成本的新型储能系统具有重要的研究意义。最近，湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授课题组一种利用生物质催化合成碳纳米管/多孔碳复合材料的方法。以掺氮酒糟为原料，FeCl3/ZnCl2为活化剂，采用热解法制备了Fe3C纳米颗粒/N掺杂碳纳米管/多孔碳（Fe3C@N-CNPC）三维复合材料。通过XRD、SEM与TEM等分析手段对材料的形貌，微观结构以及比表面积进行了表征。讨论了合成过程中不同组分的影响，并提出了Fe3C@N-CNPC可能的形成机理。对Fe3C@N-CNPC作为PIB阳极的性能进行研究。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Journal of Alloys and Compounds《合金与化合物杂志》期刊上。论文通讯作者是许建雄教授，第一作者是李顺。
本工作在FeCl3/ZnCl2活化剂存在下，通过热解掺氮的酒糟合成了Fe3C@N-CNPC三维材料。首先，通过在500 ℃下预碳化蒸馏谷物和三聚氰胺来制备N掺杂的碳前体。然后，通过研磨将N掺杂的碳前体与FeCl3/ZnCl2活化剂物理混合。最后，将混合物在900 ℃下热解以获得Fe3C@N-CNPC 3D材料。研究结果表明，FeCl3/ZnCl2活化剂对Fe3C@N-CNPC三维材料的形成有重要影响。以Fe0纳米粒子为催化剂，采用化学气相沉积法在介孔碳上制备了碳纳米管。所得Fe3C@NCNPC 3D材料具有大的比表面积、高的石墨化度、丰富的多孔结构、活性中心和表面官能团。
（a）三聚氰胺氮掺杂和FeCl3/ZnCl2化学活化制备Fe3C@N-CNPC过程示意图。（b）化学气相沉积催化合成不同轴向直径、长度及形貌之奈米碳管之机制。
由于氮掺杂、超结构和大比表面积的协同效应，Fe 3C @N-CNPC基钾离子阳极表现出了优异的钾储存容量（100 mA g−1时为273 mAh g−1）和优异的循环稳定性（100 mA g−1时循环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和推广前景。
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）、湖南工业大学科研创新基金（CX2022）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165130
