C₃N₄

KNVO-C₃N₄电极在2Ag⁻1电流密度下循环1,000次后仍表现出最高比容量348.5mAhg⁻1。

aKNVO-C₃N₄电极在0.2mVs⁻1下记录的前三条初始CV曲线。

aKNVO-C₃N₄电极在0.5Ag⁻1充放电第一循环中不同电压状态下的原位XRD图谱。

bKNVO-C₃N₄电极在0.5Ag⁻1充放电第一循环中不同电压状态下的原位拉曼光谱。

bKNVO-C₃N₄电极在1.0mVs⁻1下的CV曲线及其赝电容和扩散控制贡献。

bNVO与KNVO-C₃N₄电极在第五个循环后、扫描速率0.2mVs⁻1下的CV曲线。

cNVO、KNVO、NVO-C₃N₄和KNVO-C₃N₄电极在1.0mVs⁻1下赝电容贡献率。

f–iKNVO-C₃N₄电极在不同状态下的SEM、TEM和HRTEM图像。

f、gKNVO-C₃N₄电极在放电和充电过程中的Nyquist图。

hKNVO-C₃N₄电极在放电和充电过程中的Rct。

为探究KNVO-C₃N₄电极在电子器件中的潜在应用，组装了软包电池(如图6a所示)。

为探讨KNVO-C₃N₄电极在Zn2⁺嵌入/脱嵌过程中的价态变化，进行了原位XPS测量。

为评估KNVO-C₃N₄电极的适用性，进一步在极端温度条件下测试其电化学性能。

令人印象深刻的是，KNVO-C₃N₄电极在电化学性能方面也表现出显著优势，其性能优于大多数已报道的软包电池正极材料，如图6g所示。

值得注意的是，制备的KNVO-C₃N₄电极(图2e)在能量密度和功率密度上也显示出显著优势(452.6Whkg⁻1@466.6Wkg⁻1和210.0Whkg⁻1@14,200Wkg⁻1)，优于其他已报道的AZIBs正极。

即使在更高电流密度10Ag⁻1下(图2g)，KNVO-C₃N₄电极循环5,000次后的比容量仍为214.2mAhg⁻1，容量保持率为78.2%，高于NVO(33.6%)、KNVO(46.8%)和NVO-C₃N₄(63.7%)。

因此，KNVO-C₃N₄电极在室温及极端环境下表现出优异的电化学性能。

图2a显示了NVO与KNVO-C₃N₄电极在0.2–1.6V电压范围内、扫描速率为0.2mVs⁻1的CV曲线。

图5f–i显示了KNVO-C₃N₄电极在不同状态下的SEM、TEM和HRTEM图像。

在1.0mVs⁻1下，KNVO-C₃N₄电极的赝电容贡献率(图3b、c)为86.4%，高于NVO(70.1%)、KNVO(81.2%)和NVO-C₃N₄(76.6%)，表明其具有优异的电化学动力学。

基于以上结果，KNVO-C₃N₄电极的储能机制如图5j所示。

当电压升至1.6V时，Zn2p峰强度减弱，表明大部分Zn2⁺已从KNVO-C₃N₄电极中脱出，残留Zn2⁺可能来源于晶格中的Zn2⁺或吸附在电极表面的Zn2⁺。

此外，KNVO-C₃N₄电极(图2d)在倍率性能上表现出竞争力(20Ag⁻1下249.6mAhg⁻1)，与已有报道的基V正极相比具有优势。

此外，通过原位外差EIS研究了第一循环中电荷转移的变化，以探讨KNVO-C₃N₄电极的传输动力学演变(图3f–h)。

随后进行了原位拉曼光谱(图5b)，揭示了KNVO-C₃N₄电极在充放电过程中的V–O–V–O和V=O框架演变。

正如预期，KNVO-C₃N₄正极在室温下表现出优异的倍率性能、出色的长循环稳定性以及高功率/能量密度。

进一步通过原位表征技术(XRD、Raman、XPS、SEM和TEM)揭示了KNVO-C₃N₄正极的Zn2⁺储存机制，展示了其在充放电过程中的优异结构稳定性与可逆性。

KNVO-C₃N₄正极在V⁵⁺/V⁴⁺和V⁴⁺/V3⁺氧化还原对上表现出更小的电压间隙，表明K⁺与C₃N₄的共嵌入增强了离子扩散和氧化还原反应动力学。

a基于NVO、KNVO、NVO-C₃N₄和KNVO-C₃N₄正极的自放电测试。

dKNVO-C₃N₄正极的倍率性能与文献对比。

eKNVO-C₃N₄正极的Ragone图与文献对比。

C₃N₄的嵌入增强了结构稳定性，有效防止了NVO在长循环过程中的结构塌陷。

与NVO(图1c)相比，K⁺与C₃N₄的嵌入并未破坏材料的形貌和结构。

与NVO(图1h)相比，KNVO和NVO-C₃N₄中OVs的峰面积比增加，表明K⁺与C₃N₄的嵌入可有效提高OVs浓度。

因此，存在最优的C₃N₄嵌入含量，可进一步改善材料的反应动力学和比容量。

这些样品中的OVs通过EPR测量进一步评估(图1i)，其中KNVO-C₃N₄同样显示出最高的OVs浓度，证实了K⁺或C₃N₄的嵌入有助于增加NVO中OVs的浓度，与O1s光谱结果一致。

此外，KNVO-C₃N₄具有较高的Zn2⁺扩散动力学和快速的电荷转移动力学，这主要归因于其可调的层间距以及K⁺与最优C₃N₄含量共嵌入的协同效应。

i样品中Zn2⁺数量随不同C₃N₄含量的变化。

分子动力学和实验结果表明，存在一个最优的C₃N₄含量以获得更高的反应动力学。

分子动力学和实验结果表明，通过调节C₃N₄含量改变层间距可有效改善反应动力学。

总而言之，通过一种简便的方法合成了具有可调层间距的K⁺/C₃N₄共嵌入NVO纳米片(KNVO-C₃N₄)。

K⁺与C₃N₄共嵌入的协同作用显著降低了Zn2⁺与[VOn]层之间的静电作用，提高了比容量和循环稳定性。

为进一步探讨K⁺与C₃N₄共嵌入对反应动力学的内在影响，进行了DFT计算。

在此，香港理工大学费宾等人合成了K⁺与C₃N₄共嵌入的NVO(KNVO-C₃N₄)纳米片，其层间距得到扩展，以实现高倍率、稳定和宽温正极。

对NVO、KNVO、NVO-C₃N₄和KNVO-C₃N₄的电荷密度差分析(图4a、b)显示了K⁺与C₃N₄共嵌入后电子结构的变化。

K⁺/C₃N₄共嵌入的NH₄V₄O₁₀正极在室温及极端环境下表现出优异的电化学性能。

K⁺与C₃N₄共嵌入的协同作用降低了能量屏障，减弱了静电相互作用，并增强了动力学性能和结构稳定性。

cNVO、KNVO、NVO-C₃N₄和KNVO-C₃N₄的倍率性能。

K⁺与C₃N₄共嵌入的协同作用显著降低了Zn2⁺与[VOn]层之间的静电作用，提高了比容量和循环稳定性。

此外，C₃N₄对比容量贡献较小，降低了活性物质含量，阻碍了比容量的提升。

K⁺与C₃N₄共嵌入的协同作用降低了能量屏障，减弱了静电相互作用，并增强了动力学性能和结构稳定性。

与NVO(图1h)相比，KNVO和NVO-C₃N₄中OVs的峰面积比增加，表明K⁺与C₃N₄的嵌入可有效提高OVs浓度。

这些样品中的OVs通过EPR测量进一步评估(图1i)，其中KNVO-C₃N₄同样显示出最高的OVs浓度，证实了K⁺或C₃N₄的嵌入有助于增加NVO中OVs的浓度，与O1s光谱结果一致。

K⁺与C₃N₄共嵌入的协同作用显著降低了Zn2⁺与[VOn]层之间的静电作用，提高了比容量和循环稳定性。

K⁺与C₃N₄共嵌入的协同作用降低了能量屏障，减弱了静电相互作用，并增强了动力学性能和结构稳定性。