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Asymmetric Zn‐N 4 Single Atom Sites Facilitate Interfacial Desolvation for Ultrafast Zinc‐Ion Storage

离域电子 化学物理 电容 材料科学 水溶液 离子 Atom(片上系统) 离解(化学) 不对称 密度泛函理论 分子动力学 电容器 电化学 碳纤维 原位 去相 费米能级 电荷(物理) 溶剂化 化学 饱和(图论) 联轴节(管道) 储能 工作(物理) 纳米技术 电荷密度 共价键 电子
作者
Yafei Zhang,Gengchen Yu,Huanyu Liang,Jichang Du,Qiuyue Chen,Weiqian Tian,Jing Zhuo Shi,Jingwei Chen,Minghua Huang,Zhi Li,Huanlei Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.7149723
摘要

ABSTRACT Aqueous zinc‐ion hybrid capacitors (ZIHCs) offer a promising route to safe and low‐cost energy storage, yet their rate performance is constrained by sluggish interfacial desolvation of hydrated Zn 2+ ions and the limited electric double‐layer capacitance of carbon cathodes. Here, we introduce a dual interfacial regulation strategy that addresses both limitations through defect‐modulated Zn‐N 4 single atom sites embedded in carbon cathodes. Spectroscopic studies and theoretical calculations reveal that defect‐induced electronic asymmetry downshifts the Zn d ‐band center and generates nonbonding N/C 2 p states near the Fermi level, facilitating Zn 2+ ─H 2 O bond dissociation and accelerating interfacial desolvation. Simultaneously, enhanced electron delocalization increases surface charge density, favoring electric double‐layer formation and rapid charge accumulation. As a result, the optimized ZIHC delivers a high specific capacity of 201.5 mAh g −1 and an energy density of 146.5 Wh kg −1 , excellent rate capability (56% capacity retention at 100 A g −1 ) and long‐term durability (92.1% retention after 110,000 cycles). In situ and ex situ characterizations reveal a surface‐dominated storage mechanism involving facilitated Zn 2+ desolvation and reversible interfacial adsorption. This work establishes asymmetric single atom coordination as an effective design strategy for coupling interfacial desolvation with charge regulation in high‐rate aqueous energy storage.
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