아연(Zn) 금속 음극에서 나타나는 열악한 사이클링 안정성 및 낮은 쿨롱 효율의 전통적 문제는 이들의 실용적 적용을 제한해 왔다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 3차원 질소(N) 및 산소(O) 공-도핑 다공성 탄소(3D nitrogen (N) and oxygen (O) co-doped porous carbon) 위에 원자적으로 분산된 단일 구리(Cu) 원자 단일 금속-원자 설계를 도입하여, 고도로 가역적인 Zn 호스트를 제시한다. CuNOC 구조는 초기 Zn 핵생성에 대해 매우 활성적인 반응 자리를 제공하며, 나아가 균일한 Zn 석출을 촉진한다. 또한 3D 다공성 구조는 사이클 동안의 부피 변화를 더욱 완화하여, 균일한 Zn2+ 플럭스를 가능하게 한다. 그 결과 CuNOC는 고정 용량 1 mAh cm−2에서 전류 밀도 2 및 5 mA cm−2 조건으로 1000 사이클 이상 Zn 도금/박리 공정에서 탁월한 가역성을 보였으며, 5 mA cm−2 및 5 mAh cm−2 조건에서 700 h 이상 안정적인 작동과 낮은 전압 히스테리시스를 달성하였다. 더불어 밀도범함수이론 계산 결과, 원자적으로 분산된 단일 Cu 원자를 갖춘 다공성 탄소에 N과 O를 공-도핑하면 안정적인 Zn 핵생성에 효율적인 아연친화적(zincophilic) 자리가 형성됨이 나타났다. CuNOC 호스트 음극과 높은 로딩의 V2O5 양극을 사용하는 전지(full cell)는 5 A g−1까지 우수한 레이트 특성을 보였고, 0.5 A g−1에서 400 사이클 이상 안정적인 사이클 수명을 나타냈다.

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