吉林大学郑伟涛教授团队张伟教授Acta Mater：通过单原子ZnN4位点修饰硬碳构建稳固的SEI从而增强钠离子储存性能

硬碳（HC）阳极的无序结构和大层间距为Na⁺提供了丰富的存储位点，包括石墨域、纳米孔和缺陷位点。然而，Na⁺的不可逆吸附以及由于电解质的不可逆分解而形成的固体电解质界面（SEI）是限制 HC 阳极性能的关键因素。因此，构筑均匀分布且富含无机成分的 SEI 对于提高 HC 阳极的稳定性至关重要。最近，单原子修饰策略为 HC 阳极的高级表面构型引入了创新方法，在催化 SEI 形成方面显示出巨大潜力。

基于此，吉林大学郑伟涛教授团队张伟教授在国际知名期刊Acta Materialia上发表题为“Architecting robust solid electrolyte interface for enhanced Na⁺ storage via single-atom ZnN₄ sites decorating hard carbon”的文章，博士生杨斌斌为第一作者。研究通过单个Zn原子来修饰 HC 阳极，通过同步辐射和球差校正电子显微镜证实了 ZnN₄ 位点的成功引入。电化学测试表明，ZnSA-CNS 在 0.05 A g^-1 时展现出高达 321.4 mAh g^-1的可逆容量，在 2.0 A g^-1 下经过 4000 次循环后容量仍保持在 92.1%的出色循环寿命。令人惊讶的是，我们首次发现了单个Zn原子在放电过程中部分自发转化为Zn纳米团簇的动态行为。Zn单原子与纳米团簇形成的共生系统为Na⁺吸附提供了足够的位点，显著降低了Na⁺的扩散势垒。此外，Zn单原子的引入有效地调节了 SEI 的催化分解动力学，显著提高了 ZnSA-CNS 的循环稳定性。

图1. 样品的形态和微观结构。

图2. 组分和结构表征。

（a）XRD图谱，（b）拉曼光谱，（c）CNS和ZnSA-CNS的EPR光谱。（d）N₂吸附/解吸等温线和ZnSA-CNS和CNS的相应孔径分布。（e）N 1s和（f）Zn 2p的高分辨率XPS光谱。（g）ZnSA-CNS和参考样品的Zn K边XANES光谱和（h）FT-EXAFS光谱。（i）ZnSA-CNS的EXAFS拟合曲线；插图是ZnSA-CNS的示意图模型。（j–m）样品的小波变换图。

图3. 半电池的电化学性能评估。

（a）ZnSA-CNS和（b）CNS电极在0.1 mV s^-1扫描速率下的CV曲线。（c）所有样品在50 mA g⁻¹下的恒电流充电/放电曲线。（d）评估所有样品在不同电流密度下的性能。（e）在0.5 mV s^-1的扫描速率下和（f）在不同扫描速率下的电容过程贡献比。（g）所有样品在2.0 A g⁻¹下的长期循环性能。（h）ZnSA-CNS和CNS的综合性能比较。（i）ZnSA-CNS和（j）CNS在不同嵌钠和脱钠状态下的相应DNa⁺值。

图6. Na⁺储存动力学的理论分析。

（a）ZnSA-CNS和CNS的扩散能比较。（b）ZnSA-CNS和CNS的Ea和Eb。（c）具有相应吸附能和扩散势垒的优化结构。（d）NaPF₆在ZnSA-CNS和CNS电极上的解离能垒。（e）ZnSA-CNS和CNS由UPS确定的功函数值。（f）说明ZnSA-CNS和CNS表面电解质还原能的示意图。

图7. 协调配置的动态演化机制。

（a）非原位下归一化XANES光谱，（b）近边吸收位置的局部放大图（c）不同操作电位下Zn K边的FT-EXAFS拟合光谱。（d）充电和放电过程中配位数和键长的变化趋势。（e）不同工作状态下的小波变换图。（f）反应过程中动态结构演变的示意图。

1. Zn单原子修饰的 HC 阳极提供了更多用于存储 Na⁺ 的位点，其储能机制遵循共吸附路径。

2. Zn单原子和纳米团簇组成的共生系统显著降低了 Na⁺ 的扩散势垒，实现了快速的吸附和脱附动力学。

3. 单原子修饰策略在引导 SEI 的形成和分解过程方面发挥了积极作用，显著增强了催化分解动力学，从而极大地提高了循环稳定性。

Binbin Yang, Kexin Song, Wengang An, Qing Liang, Jielu Yu, Wenwen Li, Fuxi Liu, Boning Xu, Aofei Wei, Zhongjun Chen, Wei Zhang, Weitao Zheng, “Architecting robust solid electrolyte interface for enhanced Na⁺ storage via single-atom ZnN₄ sites decorating hard carbon” Acta Materialia, 2025, 288, 120849, DOI:10.1016/j.actamat.2025.120849.

张伟，吉林大学材料科学与工程学院唐敖庆学者-卓越教授、电子显微镜中心主任、测试科学实验中心副主任、英国皇家化学会会士，任Nature出版集团Communications Chemistry执行编委和IOP集团Nanotechnology顾问编委，科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，交叉学科）。已在Angew Chem Int Ed、JACS等权威期刊发表第一/通讯作者论文200余篇，全部论文被引超20000次，H因子77（Clarivate）。主要研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。