ChemSusChem：Mn3O4纳米颗粒原位生长在由氮掺杂碳点所衍生的碳骨架上用作水系锌离子电池正极材料

复旦大学熊焕明教授团队在ChemSusChem期刊发文探讨了Mn₃O₄纳米颗粒原位生长在由氮掺杂碳点所衍生的碳骨架上作为水系锌离子电池正极材料的应用，文章重点研究了氮掺杂碳点对电极材料的形貌控制、复合材料的电化学性能以及反应机理，并对碳点在电化学储能中的应用前景做出了展望。

当今社会高速发展对能源存储与转化提出了更高的要求，水系锌离子电池凭借价格低廉、资源丰富、安全性好、环境友好等优点成为下一代储能体系的有力竞争者。然而，经过多年研究，还没有合适的正极材料来匹配锌负极和电解液体系，严重阻碍了锌离子电池的实际应用。近期Mn₃O₄以其丰富的储量、较高的理论比容量和放电电压而备受关注，但Mn₃O₄在循环过程中往往存在导电性差和体积膨胀大的问题，导致锌离子电池中电极材料易粉化、结构坍塌和容量迅速衰减。因此，研究者们提出利用碳包覆层策略来解决Mn₃O₄的关键问题和挑战。研究发现碳包覆的Mn₃O₄复合材料具有较大的比表面积、优良的导电性和循环稳定性，但是过多地使用碳材料会导致比容量下降，过少则倍率性能不足。

鉴于此，复旦大学熊焕明教授团队在ChemSusChem期刊发文利用溶剂热合成氮掺杂碳点 (NCDs)构建碳骨架，使Mn₃O₄纳米颗粒在高温下原位生长形成Mn₃O₄/NCDs纳米复合材料。基于碳点具有石墨核和丰富的官能团(-COOH, -NH, -OH等)、各种缺陷和掺杂元素的非晶表面等优点，使Mn₃O₄能够和碳点紧密结合、提高导电性、控制复合材料生长。该复合材料同时也具有丰富的官能团，有利于其与水系电解液的接触。Mn₃O₄纳米颗粒紧密生长在碳骨架上增强了其导电性和稳定性，导致其在锌离子电池中作为正极具有优异的电化学性能。在100 mA g^-1的高电流密度下，Mn₃O₄/NCDs的容量为443.6 mAh g^-1，在1500 mA g^-1的大电流密度下，容量为123.3 mAh g^-1，具有优秀的倍率性能。结果表明，碳点作为一种新型的碳纳米材料，在用量很小的情况下就能对现有电极材料具有显著的改良效果，使复合材料的比容量和倍率性能都得到理想的提升。

论文信息：

In-situ Growth of Mn3O4 Nanoparticles on Nitrogen-Doped Carbon Dots-Derived Carbon Skeleton as Cathode Materials for Aqueous Zinc Ion Batteries

Tian-Bing Song, Zun-Hui Huang, Xiao-Qing Niu, Xi-Rong Zhang, Ji-Shi Wei, Huan-Ming Xiong*

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202102390