钾存储性能提升：含氧官能团调控碳/电解质界面

图1. 石墨和GO样品的合成示意图和材料表征。(a) GO的合成示意图。(b) FT-IR光谱。(c) XPS元素含量。(d) 高分辨率的C 1s光谱。(e) 高分辨率O 1s光谱。(f) O元素类型含量。(g) XRD图谱。(h) 拉曼光谱。(i) 氮吸附-解吸等温线。(j) 孔径分布。

图2a对比了石墨与氧化石墨的电化学性能，并建立了氧官能团类型与电化学性能的直接关系。电化学测试结果表明，电化学性能的优劣顺序是：GO-3>GO-5>GO-1>Graphite。与石墨相比，引入氧官能团的GO样品保持了更高的可逆容量，证实了氧官能团对电化学性能的有利作用。将氧官能团类型和可逆容量进行关联，如图2f和2g所示，结果表明可逆容量与C=O和O=C-OH呈正相关，与C-O呈负相关。值得注意的是，GO-5具有与GO-3相似的层间距、更高的氧官能团的总含量和更大的比表面积，但可逆容量却比GO-3低，表明氧官能团的类型主导了电化学性能的提高，这一发现为氧掺杂改善K⁺储存性能提供了理论指导。

图2. 石墨和GO样品的电化学特性。(a)初始库仑效率。(b) 在0.1 A/g时的循环性能。(c) 倍率性能。(d)1 A/g时的长期循环性能。(e) 3.0-0.7 V的电压范围放电容量百分比。(f) 从O 1s XPS光谱(图1f)得到的各种氧官能团的原子浓度与0.1 A/g下100次循环后的可逆比容量之间的相关性。(g) 可逆比容量和C-O含量之间的相关性。

拉曼对石墨结构的变化十分敏感，K⁺储能机制通过原位拉曼测试表征。在充、放电过程中，石墨样品(图3)中表示K⁺插入石墨层的G_c峰(~1603 cm⁻¹)，可逆的出现与消失，表明了石墨可逆的嵌/脱钾过程。GO-3电极(图4)中无G_c峰的出现表明氧官能团的引入影响了钾的储存机制，进一步证实了GO-3的表面诱导和扩散控制的混合K⁺储存机制，从而揭开了石墨(插层机制)和GO-3(吸附-插层机制)不同的电荷储存机制。

图3. 石墨的原位拉曼分析。(a) 石墨在嵌/脱钾过程中的原位拉曼光谱。(b) 特定波数范围放大的拉曼图。(c) 相应的G峰峰位-电位(绿色和橙色虚线)和容量-电位(黑色实线)曲线。

图4. GO-3的原位拉曼分析。(a) 充/放电循环中的原位拉曼光谱。(b) 相应的I_D/I_G-电位(粉色虚线)和容量-电位(黑色实线)曲线。

IV 含氧官能团对电极/电解质界面性能的调控

图5. 原位FT-IR分析。(a) 原位FT-IR电化学电池的示意图。(b) 石墨，(c) GO-1，(d)GO-3，(e) GO-5的FT-IR光谱。(f) SEI组成示意图。

图6. 石墨和GO-3电池体系充/放电过程中的原位EIS。(a) 在原位EIS测量过程中GO-3的GCD曲线。(b-e) GO-3在充/放电过程中不同电位下的奈奎斯特图。(f-i) 石墨在充/放电过程中不同电位下的奈奎斯特图。(j) 在充/放电过程中阻抗拟合结果。

V PIHCs性能研究

图7. 使用石墨或GO阳极和AC阴极的PIHCs的电化学性能。(a) AC//GO-3的CV曲线。(b) AC//GO-3的GCD曲线。(c) PIHCs的倍率能力。(d) PIHCs的Ragone图。(e)PIHCs的长期循环性能。