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赵东元院士晁栋梁教授,重磅JACS!
时间:2026-01-19 15:36:24
赵东元院士晁栋梁教授,重磅JACS!
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复旦大学赵东元院士和晁栋梁教授等人提出串联化学策略,通过Janus介孔加速器实现高效水系电池,相关成果发表于JACS。具体介绍如下:研究背景可充电锌基水系电池(ZABs)是“超越锂离子”储能技术之一,具有本质安全性、低成本和环保性,但锌沉积/剥离传质动力学缓慢,源于去溶剂化过程高能垒、锌腐蚀和析氢反应(HER),导致电化学性能变差。开发多功能固体电解质界面(SEI)面临挑战,负极沉积反应动力学受溶剂化阳离子吸附和去溶剂化过程控制,而溶剂化Zn2?团簇的捕获和脱溶剂过程在亥姆霍兹内部层内重合,对SEI设计构成障碍。此前构建SEI微观结构的努力多依赖单一功能设计,且不合理设计导致离子转移路径长、电荷转移电阻高。成果简介展示串联化学策略解耦和加速内亥姆霍兹层Zn2?团簇的吸附和去溶剂过程。电化学组装的介孔孔二氧化硅作为Janus介孔加速器,具有串联亲水 -OH和疏水 -F基团,可快速稳定Zn2?的还原反应。结合原位电化学数字全息术、分子动力学模拟和光谱表征,发现 -OH基团捕获电解液体相中的Zn2?团簇, -F基团排斥溶剂化壳层中的配位H?O分子,实现串联离子还原过程。所得到的对称电池在高电流密度下实现高度可逆性,串联化学在Zn//VO?和Zn//I?电池中的可行性得到证明,且可能适用于其他水系金属离子电池。Janus mSiO?的合成和表征通过电化学辅助的自组装过程合成,以锌基底为工作电极分两个阶段进行。将锌底物浸没在特定溶液中,采用恒流在正极生成氢氧根离子,控制不同硅烷的水解动力学,触发PFOTMS优先自缩聚,在Zn表面形成表面活性剂模板化的介孔二氧化硅纳米通道,在恒定电场作用下形成具有上 -OH和下 -F基团的Janus介孔SiO?中间相。通过在不同基材上生产中间相和调制电沉积时间,证明了合成方法的普遍性和可调整中间相厚度的能力。动力学和热稳定性制备并测试了一系列控制界面,包括裸锌负极、单亲水 -OH界面(OH -mSiO?@Zn)和疏水性 -F界面(F -mSiO?@Zn)。OH -mSiO?@Zn和OH -F -mSiO?@Zn电极因极性亲水基团,与电解液接触角较小,有助于降低电荷转移阻抗和增加离子电导率。介孔通道有效捕获Zn2?,降低浓差极化、欧姆和电化学极化,提高Zn2?选择性。OH -F -mSiO?串联化学的界面调控可促进吸附和提高Zn2?的脱溶剂动力学。电化学性能验证OH -F -mSiO?@Cu的成核过电位更低,OH -F -mSiO?@Cu//Zn电池在3000个循环中达到99.83%的平均库仑效率(ACE),意味着副产物形成有限。均匀的锌沉积归因于Zn2?在绝缘的Janus介孔界面中有利的三维扩散,而裸锌的二维扩散易导致锌枝晶生成。OH -F -mSiO?@Zn对称电池在不同电流密度下具有最低极化电压,在4和20 mA cm?2的高电流密度下,长循环寿命分别超过8000和800小时。溶剂化结构表征利用原位电化学数字全息技术(EDH)监测电极/电解液界面初始锌离子还原过程中的离子浓度演化,发现分布在上中孔通道中的Zn2?捕获基团可主动、均匀地从电解液体相中吸收Zn2?,这是实现无枝晶锌沉积的关键前提,原位光学显微镜结果验证了OH -F -mSiO?@Zn表面的无枝晶锌沉积。介孔加速器模拟原位EDH记录OH -F -mSiO?@Zn负极浸入电解液后有明显且均匀的颜色变化,归因于串联化学的界面通过静电力捕获Zn2?。分子动力学(MD)模拟表明,极性 -OH基团有效捕获Zn2?,Zn2?在OH -F -mSiO?表面附近积累,在富 -OH区域模拟浓度超过4 mol/L,是电解液体相中的2倍,形成局部高浓度微环境;疏水富 -F区排斥溶剂化Zn2?,得到更高浓度的Zn2?(5 M)和去溶剂的Zn2?结构。总结展望通过在设计复杂的Janus介孔加速器中诱导异步发生,提出串联化学策略,解耦和加速Zn(H?O)?2?团簇的捕获和脱溶过程。原位数字全息和电化学过程分析显示,Janus介孔相降低界面极化和加快脱溶动力学(活化能为7.66 kJ mol?1,为裸锌的20%)。分子动力学模拟和光谱分析提供原子水平见解,精心设计的锌负极表现出特殊稳定性和动力学,且串联化学可激发其他金属基电池的成功。
时间:2026-01-19 15:36:25
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