武汉大学钱江锋/胡晓宏团队Angew：30秒常温化学预钾化策略，全面提升MnO2正极储锌性能

第一作者：常足

通讯作者：胡晓宏*，钱江锋*

单位：武汉大学

水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性、环境友好和成本低廉等优势，在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，正极材料的发展滞后严重制约了其性能发挥。MnO2理论容量高、价格低，是极具前景的正极材料之一，但其固有的低电导率、结构不稳定和Zn2+扩散动力学缓慢等问题，限制了其实际应用。离子预嵌入策略，特别是利用大半径K+作为“支柱”，是扩大MnO2层间距、稳定框架结构、提升动力学的有效手段。然而，传统的预嵌入方法（如水热、高温煅烧等）往往条件苛刻、耗时长、能耗高，且难以精确控制嵌入量，限制了其规模化应用。因此，开发一种温和、快速、绿色的普适性插层方法至关重要。

近日，来自武汉大学的胡晓宏教授与钱江锋教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“A General Chemical Prepotassiation Strategy for Boosting the Zn-Storage Performance of Polymorphic MnO2 Cathode”的文章。基于课题组前期化学预锂化/预钠化工作（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 25, 21865–21876，J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 33, 29895–29907，J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 49, 44972–44983，Angew. Chem. Int. Ed. 2026, 10.1002/anie.2554297），该文章提出了一种温和的化学预钾化策略，该策略使用9-芴酮钾（FL-K）作为高反应活性K+/e−供体，能够在环境条件下仅30秒内实现将K+快速且定量地插入到多种MnO2多晶型物（α-，γ-和δ-相）中。预嵌入的K+离子充当稳固的结构支柱，同时扩大了隧道/层间距并增强了电子导电性，从而显著加速了Zn2+的传输动力学并强化了MnO2骨架的稳定性。因此，优化后的α-K0.05MnO2正极展现出卓越的倍率性能（10C下为97.5 mAh g−1）和循环耐久性（3C下循环300次后容量保持率为64.5%），远远超过原始的α-MnO2（仅有25.6 mAh g−1和38.5%的保持率）。这种高效策略，以近100%的原子利用率和完全的试剂可回收性为特征，为设计高性能嵌入型电极材料建立了一种可持续且通用的预钾化方案。

传统离子插层方法多为“自下而上”的合成，高温高压且原子利用率低。本研究开发了一种“自上而下”的温和化学预钾化方法。作者利用9-芴酮钾（FL-K）作为K+/e−供体，驱动K+自发嵌入MnO2，且其反应温和，不破坏材料主体结构。该方法仅需在常温下搅拌30秒即可完成，且试剂可循环利用，实现了近100%的原子利用率，符合绿色化学理念。

以α-MnO2为例，系统研究表明，预嵌入的K+作为结构支柱，不仅扩大了MnO2的隧道间距，还优化了电子结构。DFT计算证实，K-MnO2有更高的电子电导率，K+的引入减弱了MnO2框架对Zn2+的吸附能（从−1.76 eV降至−1.34 eV），并显著降低了Zn2+的迁移能垒（从0.29 eV降至0.14 eV），从而极大促进了离子扩散动力学和结构稳定性。

得益于结构和动力学的优化，最优化的α-K0.05MnO2正极展现出卓越的电化学性能：超高倍率性能：在10C的高倍率下仍能释放出97.5 mAh g−1的可逆容量，远超未改性α-MnO2（25.6 mAh g−1）。优异循环稳定性：在3C倍率下循环300圈后，容量保持率高达64.5%，而原始材料仅剩余38.5%。

该化学预钾化策略不仅适用于α-MnO2，同样可成功应用于γ-MnO2和δ-MnO2。预钾化后的γ-K0.05MnO2和δ-K0.05MnO2在倍率性能和循环稳定性上均获得显著提升。此外，该方法还能拓展至V2O5等钒基正极材料，展现出良好的普适性。该工作为开发高性能插层型电极材料提供了一种通用、高效且绿色的新路径。

“A General Chemical Prepotassiation Strategy for Boosting the Zn-Storage Performance of Polymorphic MnO2 Cathodes”

胡晓宏教授简介：武汉大学化学与分子科学学院教授、博士生导师，武汉大学东莞水乡储能技术研究中心副主任。主要研究方向为环境电化学、化学电源及材料化学。团队研发的二氧化铅电极优化技术成果显著，该技术通过氧化作用实现高效杀菌除臭，已在垃圾中转站异味治理中获得应用，并依托东莞水乡储能技术研究中心推动臭氧应用产业化。在Angew. Chem., J. Phy. Chem. C, Chem. Electro. Chem., 等国际期刊发表多篇学术成果，同时承担本科生与研究生课程的教学工作。

钱江锋教授简介：武汉大学化学与分子科学学院教授、博士生导师。新型电化学储能材料与技术，如锂离子电池，钠离子电池，锂金属电池，二维材料等。目前已发表SCI论文100余篇，其中以通讯作者或第一作者身份发表60余篇，包括Nature Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem.，Adv. Energy Mater.，ACS Energy Lett.，Nano Lett.等，论文共被引用17900余次，22篇入选ESI高被引论文，3篇入选ESI热点论文，H指数66。