在这项工作中，作者从前驱体结构的角度研究了硫的吸附途径。通过理论计算，对三种不同前体(葡萄糖、碳量子点（CDs）和碳纤维)对硫的吸附进行了评估，表明含有丰富官能团的CDs对硫原子具有很强的亲和力。因此，作者采用CDs作为前驱体，合成了具有三维结构、高硫含量(10.4%)的硫掺杂硬碳。由于C-S键和3D框架之间的协同作用，相应的CDs硫掺杂硬碳负极具有优异的循环性能和倍率性能。在确认了CDs作为S掺杂前驱体的潜力后，深入了解了S掺杂碳的结构与储能行为之间的关系。本文以“Demystifying the Influence of Precursor Structure on S-Doped Hard Carbon Anode: Taking Glucose, Carbon Dots, and Carbon Fibers as Examples”为题在国际顶刊Advanced Functional Materials上，第一作者为Yujie Huang，通讯作者为中南大学侯红帅教授。

图1.  a) Na吸附能计算；b) Na在层间距为0.335 ~ 0.41 nm的平面石墨烯纳米片中的结合能；c)三种前驱体不同位点上的硫吸附能力；d)三种不同前驱体的结构示意图。

图2.a) 2SC-600、2SGC-600 和 2SCF-600 的 XRD 图谱、b) 拉曼图谱、c) 孔径分布和 d) 元素比例；e) 2SC-600的高分辨率c1s图谱；f) 2SC-600的高分辨率s2p图谱；g) 2SC-600、h) 2SGC-600 和 i) 2SCF-600 的高分辨率 O 1s 图谱。

图3. a) 2SC-600、b) 2SGC-600 和 c) 2SCF-600前三个循环的 CV 曲线；d) 2SC-600、2SGC-600 和 2SCF-600 的首次恒流充放电曲线；e)0.1 A g-1 下的循环曲线；f) 2SC-600、2SGC-600 和 2SCF-600 在不同电流密度下的倍率性能。

图4. a)随硫源添加量和炭化温度变化的S、O原子元素含量；b) xSC-y和BlankCDs-600的拉曼光谱和c) BET表面积；d,e) 2SC-600 的 TOF-SIMS 与负向质谱模式；f) S-在2SC-600中的强度映射。

图5.  a) 0.1 A g−1下的循环曲线和b) xSC-y和BlankCDs-600在不同电流密度下的倍率性能；c) BlankCDs-600和2SC-600的首圈恒流放电/充电曲线；d) 0.05 ~ 5A g−1不同电流密度下2SC-600的恒流放电/充电曲线。2SC-600阳极首次放电后的高分辨e) S 2p、f) O 1s和g) Na 1s光谱；h,i)第一次放电后不同掺硫负极的表面组成比例。

图6. a) blankcd -600和c) 2SC-600的CV曲线；b) 2SC-600和BlankCDs-600的GITT电位分布图；d)放电和e)充电过程中Na+离子扩散系数与电位的关系；f) 2SC-600在不同扫速下的电容容量贡献；2SC-600和BlankCDs-600在g)原始和h)循环状态下的Nyquist曲线。

本文首次全面了解了前驱体结构在设计杂原子掺杂硬碳中所起的关键作用，并证明了碳量子点是最佳前驱体。通过将不同前驱体的结构差异与其相应的硫掺杂硬碳相连接，丰富的短聚合链和极小尺寸的碳量子点负责引入额外的硫吸附活性位点和独特的3D结构。此外，通过探究硫含量和煅烧温度对硬碳结构的影响，揭示了硫掺杂机理和硫在钠储存中的作用。在掺杂过程中，硫选择性地取代了硬碳结构内的氧原子，导致2SC-600的ICE比未掺杂的硬碳增加了17.3%。对不同结构硫掺杂硬碳负极的SEI组成有了基本的了解，证实了适当的硫含量对离子/电子传输和界面均匀性的好处。关键是，结合详细的原位拉曼和非原位XPS技术，揭示了硫掺杂碳的特殊钠储存机制:吸附-吸附/插层-孔隙填充。本研究阐明了前驱体结构与硫掺杂机理之间的联系，为今后杂原子掺杂研究中前驱体的选择提供了参考。

文章来源：高低温特种电池

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