导读：本文首次报道了石墨炔应用于钾离子电池负极。第一性原理计算及电化学测试结果表明，多孔石墨炔材料可以很好的嵌入/脱出K+，具有极高的容量和稳定性。可以预见，石墨炔将在钾离子电池负极材料上具有广阔的应用前景。
石墨炔自2010年首次报道以来，因为其独特的原子排列和较小的能带带隙，一直被认为将在下一代能源器件中广泛应用。但此前还从未有石墨炔被报道应用于钾离子电池中（KIBs），石墨炔的储钾性能究竟如何？近日，苏州大学和北京大学联合发表的研究表明，石墨炔独特的原子排列更有利于K+在其内部扩散，在KIBs中具有非常高的比容量和循环稳定性。这一发现证明石墨炔在KIBs中的应用前景，再次开阔人们对石墨炔的认知。相关论文近日以题为“Temperature-Mediated Engineering of Graphdiyne Framework Enabling High-Performance Potassium Storage”在Advance Functional Materials上发表。https://onlinelibrary./doi/10.1002/adfm.202003039钾离子电池（KIBs）虽然成本低廉，但却因为电极材料，尤其是负极材料的性能一直不理想而还仅停留在实验测试阶段。由于K+在石墨中扩散的动力学较差，在锂离子电池中已经商用的石墨负极在KIBs中能量密度和稳定性远远不能满足人们的要求。石墨炔作为继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。目前已有学者开始研究石墨炔的储锂储钠性能，但石墨炔的储钾能力如何此前还未有报导。本文中，作者首先通过第一性原理计算，对石墨炔的储K理论容量进行了计算。并发现K+在石墨炔中迁移的势垒较低，且K+在石墨炔的嵌入具有可逆性，这为石墨炔在KIBs中的应用提供了良好的理论依据。通过循环可大规模重复的制备方法，作者展示了石墨炔实际商用的可操作性。并利用高温调控，进一步去除了其表面的低聚物，优化了电化学性能。当热处理温度高达800℃时，石墨炔的性能最佳，比容量最高达到约505 mA h g-1，同时在1 A g-1的电流密度下循环2000圈比容量依旧有将近200 mAh g-1（与第一圈相比容量保持率超过90%）。分析发现在石墨炔中有很多活性位点可以吸附K+，提供而外的容量，并提高倍率性能。石墨炔优异的导电性和结构稳定性也对优异的储钾性能有着很大的帮助。总结来说，凭借石墨炔本身的特殊的孔隙结构、良好的导电性和大量的吸附位点，作者巧妙地将石墨炔应用于KIBs中，表现出了优异的储钾能力。第一性原理计算也为石墨炔在KIBs中的应用提供了指导和依据。良好的性能和简单可大规模重复的制备方法，可以预见石墨炔将在KIBs负极材料中逐渐焕发出耀眼的光彩。（文：Today）
图1 石墨炔的储钾DFT计算结果。
图2 (a) 石墨炔的合成过程示意图；(b)石墨炔的储钾特性示意图；(c)石墨炔的SEM图片和TEM图片；(d)石墨炔的HRTEM图片；(d)石墨炔的XRD图谱。
图3 石墨炔的 (a)拉曼图谱；(b) 傅里叶红外光谱图；(c)-(d) XPS图谱和C 1s的放大光谱；(e)- (e) 氮气吸附/脱附曲线和对应粒径分布图。
图4 (a) 石墨炔电极在扫描速率为0.1 V s-1时的CV曲线；(b) 石墨炔及不同温度热处理后的倍率性能；(c)-(e) 石墨炔及不同温度热处理后在不同电流密度下的循环性能。
图5 (a) 石墨炔电极在不同扫描速率时的CV曲线；(b) 氧化峰和还原峰的b值计算结果，石墨炔及不同温度热处理后的倍率性能；(c) 在不同扫描速率下的赝电容贡献比例；(d) 原位拉曼测试图；(e) 非原位XPS测试结果；(f) 循环50次后石墨炔的HRTEM照片。
