便携式电子产品、电动汽车和电网储能的蓬勃发展刺激了对可靠高效电化学储能设备的日益增长的需求。作为一种很有前途的技术，水性锌离子（Zn2+）电池因锌金属阳极（ZMAs）具有较高的理论可逆容量、较低的氧化还原电位、天然丰度和成本效益等优点而被广泛认为是具有竞争力的候选者。Zn枝晶生长和不希望的寄生反应严重限制了深循环ZMAs的实际应用。香港城市大学楼雄文教授和新加披南洋理工大学Deyan
Luan开发了一种简单的策略构建了嵌入原子分散的Cu和Zn原子的N，P掺杂的碳大孔纤维（Cu/Zn-N/P-CMFs），作为在弱酸性电解质中高效ZMAs的三维（3D）多功能主体。Cu/Zn-N/P-CMFs主体呈现出低的Zn成核过电位、高的可逆性和无枝晶的Zn沉积。Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn电极在2 mA cm-2和2 mAh cm-2下表现出稳定的低极化镀锌/剥离630小时。相关工作以“Atomically Dispersed Zincophilic
Sites in N, P-Codoped Carbon Macroporous Fibers Enable Efficient Zn Metal
Anodes”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical
Society上。要点1. 作为在弱酸性电解质中高效ZMAs的三维（3D）多功能主体。3D大孔骨架不仅可以使电场分布均匀化，降低局部电流密度，而且通过空间均匀化Zn2+通量来减轻结构应力并抑制Zn枝晶的生长。此外，N和P原子的强锚定效应确保分散的Cu和Zn原子最大限度的暴露，提供了足够的Zn成核位点以促进Zn沉积动力学。要点2. Cu/Zn-N/P-CMFs主体呈现出低的Zn成核过电位、高的可逆性和无枝晶的Zn沉积。Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn电极在2 mA cm-2和2 mAh cm-2下表现出稳定的低极化镀锌/剥离630小时。在10 mA cm-2下表现出低的成核过电位和高的镀锌/脱锌CE。要点3. 基于Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn电极的对称电池提供了良好的倍率性能和延长的寿命，在高电流密度和DOD下测试了低电压滞后。当与MnO2阴极耦合时，使用Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn阳极的全电池在苛刻条件下测试时表现出良好的循环稳定性。图1.（a）ZIF-8 NCs、（b）PA-Zn NBs和（c）PA-ZnCu
NBs的TEM。Cu/Zn-N/P-CMFs的（d，e）FESEM，（f，g）TEM，（h，i）HAADF-STEM和元素映射图像。（i）中的比例尺：500 nm。图2. Cu/Zn-N/P-CMF和其他参考材料的（a）Cu和（b）Zn K-edge XANES光谱。（c）Cu/Zn-N/P-CMFs和其他参考材料的Cu K-edge EXAFS光谱的FT曲线。（d）Cu/Zn-N/P-CMFs的Cu K-edge EXAFS拟合结果；插图：协调配置。（e）Cu/Zn-N/P-CMFs和其他参考材料的Zn K-edge EXAFS光谱的FT曲线。（f）Cu/Zn-N/P-CMFs的Zn K-edge EXAFS拟合结果；插图：协调配置。（g） Cu箔、Zn箔和Cu/Zn-N/P-CMFs的EXAFS光谱的WT等高线图。图3.（a）Zn原子与石墨烯、吡咯N掺杂石墨烯、P掺杂石墨烯，N，P共掺杂石墨烯以及锚定在石墨烯上的Cu-N3P1和Zn-N4的结合能。（b）Cu-N3P1、Zn-N4和P掺杂石墨烯与Zn原子吸附的界面差分电荷密度模型（黄色：积累；青色：耗尽）。（c）在2、3和5 mA cm-2的电流密度下测试的不同宿主的成核过电位。（d）在5 mA cm-2下，Zn在不同基质上成核期间的电压-容量曲线。（e）容量为4 mAh cm-2的镀锌后不同主体的XRD。容量为（f）2 mAh cm-2和（g）12 mAh cm-2的Cu/Zn-N/P-CMFs主体在镀锌后的FESEM。（h）容量为2 mAh cm-2的镀锌后Zn-N/P-CMFs主体的FESEM。图4.（a）在10 mA cm-2和3 mAh cm-2下测试的不同宿主的CE图以及（b）第五次循环时不同宿主的相应电镀/剥离电压分布。（c）在2、3、5、8、10和2 mA cm-2下测试的速率性能，容量为2 mAh cm-2。（d）使用不同复合Zn电极的对称电池在2
mA cm cm-2和2 mAh cm cm-2下测试的循环性能和相应的电压分布（插图）。（e）在10 mA cm cm-2和5 mAh cm cm-2下测试了使用Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn电极的对称电池的循环性能。图5. 质量负载约为1.9 mg cm-2的MnO2的Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn//MnO2和Zn//MnO2电池在（a）扫描速率为0.2 mV s-1时的CV，（b）基于放电曲线的速率性能，（c）奈奎斯特图和（d）在1.0 A g-1下的测试循环性能。（e）质量负载MnO2阴极（9.6 mg cm-2）的Cu/Zn-N/P-CMFs-Zn//MnO2和Zn//MnO2电池在0.5 A g-1下的循环性能。Atomically
Dispersed Zincophilic Sites in N, P-Codoped Carbon Macroporous Fibers Enable
Efficient Zn Metal Anodes
Yinxiang Zeng, Zhihao Pei, Deyan Luan,*
Xiong Wen David Lou*DOI: https:///10.1021/jacs.3c03030
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