本站讯 近日，中国海洋大学材料科学与工程学院王焕磊教授团队在单原子材料用于水系锌离子混合电容器快速储能研究领域取得新进展。相关研究成果以“Asymmetric Zn-N4 Single Atom Sites Facilitate Interfacial Desolvation for Ultrafast Zinc-Ion Storage”（非对称Zn-N4单原子位点促进界面脱溶剂化实现超快锌离子存储）为题，发表于国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）。
在全球能源转型和“双碳”战略背景下，发展兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命的新型水系锌离子混合电容器储能器件具有重要意义。然而，传统碳基正极的储能性能仍受到锌离子界面脱溶剂化动力学缓慢和电双层电荷存储能力有限的双重制约。因此，如何从原子尺度协同调控锌离子的界面脱溶剂化行为与电荷分布，成为提升水系锌离子储能性能亟待解决的关键科学问题。
非对称Zn-N4单原子位点调控锌离子界面脱溶剂化的示意图及原子尺度机制解析
研究团队通过熔盐限域热解，构筑了具有丰富拓扑缺陷和互联中空结构的多孔碳正极，并利用局域缺陷调控Zn-N4单原子位点的配位结构，实现了活性中心电子结构的精准调控。结合多种实验表征与理论计算，研究发现，缺陷诱导的配位不对称性能够显著改变Zn活性中心的局域电子结构，使Zn 3d带中心下移，并在费米能级附近形成N/C 2p非键合电子态。这种电子结构重构能够增强活性位点对Zn2+的吸附能力，减弱其与水分子的相互作用，从而降低锌离子界面脱溶剂化能垒，促进离子快速传输。同时，该结构有利于界面电荷重新分布和电双层优化，提升电荷存储能力。通过协同调控锌离子传输与界面电荷存储，该策略显著提升了水系锌离子混合电容器的倍率性能和循环稳定性。该研究揭示了非对称单原子配位结构调控锌离子界面行为的作用机制，为高功率、长寿命水系储能器件的设计提供了新的思路。
王焕磊教授团队长期从事先进碳材料的研究与应用，近期在单原子电极材料设计及其储能应用方面取得了系列研究成果。本次发表于Angewandte Chemie International Edition的研究成果，是团队在单原子位点调控与水系锌离子混合电容器快速储能领域取得的又一重要进展。
中国海洋大学材料科学与工程学院为该研究成果的第一完成单位，文章第一作者为材料科学与工程学院2024级海洋材料科学与工程专业博士研究生张亚飞，王焕磊教授为唯一通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目及山东省泰山学者项目等支持。
文/图：张亚飞
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.7149723
编辑：赵奚赟
责任编辑：刘莅
