锂离子电池(LIBs)在现今人们的工业生产和日常生活中都有着广泛的应用。但由于锂资源相对稀缺且分布不均，从发展长远的角度来看锂离子电池还不足以满足储能系统的需求，那么，研究开发可替代锂离子电池的金属离子电池便成为研究者们关注的问题。
钾储量丰富且电化学性质与锂相当，因此钾离子电池的发展对未来大规模储能具有战略意义。在钾离子电池负极材料中，资源丰富、环境友好的碳基材料得到了广泛的研究，利用杂原子掺杂来调节碳材料的结构并产生更多的活性位点，有利于钾离子的存储。对于氮掺杂的碳材料而言，根据理论计算，吡啶氮和吡咯氮可以有效的提高钾的吸附，从而能提高碳材料的储钾性能。然而，制备一种具有高的氮含量，同时具有高的吡啶氮和吡咯氮含量的碳材料仍然存在挑战。
近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和材料科学与工程系陈乾旺教授课题组针对这一问题，通过对高能金属有机框架（MET-6）进行热解，成功制备出了高N掺杂的多孔碳材料，其中在800℃下制备的样品，其氮含量高达13.57 at%，且具有很高的吡啶氮（46.6%）和吡咯氮（29.1%）含量。
除此之外，这种材料还具有超高的比表面积和丰富的孔隙结构，应用于钾离子电池负极材料时，表现出了极佳的倍率性能（在10 A g-1 和20 A g-1的电流密度下，其容量为144 mAh g-1和105 mAh g-1）和优异的循环稳定性（在1 A g-1电流密度下循环2000圈的容量仍可保持在258.9 mAh g-1）。同时，结合理论计算和电化学测试分析，系统研究了该材料的储钾机制。这项工作为高能MOFs的应用提供了一个新的思路，也提供了一种新的方法来制备高的吡啶氮和吡咯氮含量的碳材料。
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士研究生童慧刚为论文第一作者，陈乾旺教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委等的资助。
论文链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202002771