红P因其高理论容量，来源丰富等优点，作为一种有前途的低成本钾离子电池（PIBs）负极受到了广泛关注。然而，红P在连续循环期间的严重粉碎/聚集问题和缓慢的动力学严重阻碍了其实际商业应用。

近日，济南大学原长洲教授报道了通过一种简单有效的磁场辅助策略，设计并可控地制造了一种约束在分级氮掺杂碳纳米片（NCNS）/纳米管（NCNT）三维框架中的中空红P纳米球（H-P@NCNS/NCNT）。

文章要点

1）研究人员通过三步合成H-P@NCNS/NCNT。首先，以紫玉兰和玉米叶为生物质来源，以FeCl₃·6H₂O为活化剂/催化剂，制备了具有三维NCNS/NCNT结构的还原铁纳米颗粒（Fe@NCNS/NCNT）复合材料。然后，利用磁场辅助煅烧，将白P和Fe@NCNS/NCNT的混合物全部转化层状NCNS/NCNT约束的红P/Fe（P@Fe）NPs（P@Fe@NCNS/NCNT）。最后通过盐酸选择性刻蚀铁，得到H-P@NCNS/NCNT产物。

2）研究人员初步提出了一种三维混合结构的磁场诱导形成机理。低能耗的外加物理磁场通过铁磁极化的偶极-偶极作用力有利调节了红P在Fe基体上的超细沉积。此外，多孔NCNS/NCNT与H-P NSs的复合有效地改善了H-P@NCNS/NCNT的体积膨胀/压缩，减小了K⁺扩散距离，同时具有优异的导电性。而垂直的NCNT作为导电骨架阻止了NCNS的重新堆积，桥接了H-P和NCNS之间的电子传输间隙，形成了三维导电电子/离子传输网络。

3）实验结果显示，所制备的H-P@NCNS/NCNT具有典型的赝电容主导的K+存储，在2.0 A g^-1下的可逆充电容量约为527 mAh g^-1，在2 A g^-1下连续500次循环后的容量保持率约为85%。此外，当与PTCDA正极耦合时，整个器件具有高能量密度（221 Wh k^-1）和电化学稳定性（在1.0 A g^-1下500次循环后容量下降了32%）。

这些结果使得H-P@NCNS/NCNT有望成为下一代PIBs的低成本负极。此外，该创新策略可以推广到其他具有多功能中空结构的红P，用于先进的能源相关应用和其他领域。

参考文献

Guohui Qin, et al, Magnetic Field Assisted Construction of Hollow Red P Nanospheres Confined in Hierarchical N-Doped Carbon Nanosheets/Nanotubes 3D Framework for Efficient Potassium Storage, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202003429

https://doi.org/10.1002/aenm.202003429