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碳質材料資源豐富、結構穩定、成本低，是鉀離子電池（PIB）的有前途的負極材料。然而，有限的K⁺儲存和緩慢的動力學仍然是其面臨的主要挑戰。

在此，武漢理工大學吳勁松教授、麥立強教授及孟甲申等人首次將單個Zn金屬原子（~12 wt%）引入空心碳球中，并研究了對PIBs電化學性能的影響。

更重要的是，鋅單原子的化學配位是通過簡單的模板方法設計和構建的。除了N配位分子 (Zn-N@C) 外，還制備了以Zn單原子為中心的N和S配位分子 (Zn-NS@C)，因為S的低電負性有望改變Zn-N活性中心的電子結構。

使用Zn-NS@C作為電極的PIBs在 0.1 A g^-1下實現了350 mAh g^-1的高容量和優異的循環穩定性，在2 A g^-1下4000次循環后的容量保持率為90.2%，證明其適用于實際應用。

圖1. Zn-NS@C的合成與表征

此外，作者通過電化學測量、恒電流間歇滴定技術 (GITT)、原位TEM和DFT計算探索了Zn單原子的配位工程機制，揭示了 Zn 可以作為電子的額外存儲位點，并在鉀化和脫鉀過程中提高附著陰離子的反應性，優化的Zn-N₄部分與S的電子結構有效地增強了K⁺的吸附。

這項工作為合理設計用于先進PIB的雜原子摻雜碳質材料提供了新的見解，并為通過單原子工程獲得卓越電池性能的起源提供了基本的理解。

圖2. Zn-NS@C和Zn-N@C的儲鉀性能

Coordination engineering of metal single atom on carbon for enhanced and robust potassium storage, Matter 2021. DOI: 10.1016/j.matt.2021.10.017

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