水系锌离子电池是有前途的下一代储能设备，但存在析氢反应（HER）和锌负极表面复杂的副反应等问题。HER通常涉及几个关键过程，主要包括质子在电解质体相中的传输，以及在负极界面处得电子被还原。通常，质子遵循“Grotthus”机制沿着由H2O分子形成的氢（H）键网络进行跳跃传输（图1）。因此，质子传输速率是Zn(H2O)62+的五倍以上，促进了锌负极表面的HER。由于质子最终在电极界面处得电子被还原为H2，因而相较于电解质体相，调控界面处的H键网络可以更有效地影响质子传输过程。因此，阻断电解质/电极界面处的H键网络，从而阻止界面处质子传输，成为抑制析氢的有效策略。
图1. 质子遵循“Grotthus”机制在氢（H）键网络进行跳跃传输。
我院新能源材料化工团队（潘争辉研究员、杨晓伟教授）前期已经在锌负极界面调控取得系列进展（Adv. Mater., 2021, 33, 2008424, Nano-Micro Lett., 2023, 15, 46, Energy Storage Mater. 2023, 59, 102767等）。近日通过在Ti3C2Tx（MXene）基底上锚定离子液体阳离子（BMIM+）构建了自组装的单分子层（SAM），以实现无HER的稳定锌负极。相关研究成果以“Blocking Interfacial Proton Transport via Self-Assembled Monolayer for Hydrogen Evolution-Free Zinc Batteries.”为题发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
潘争辉/杨晓伟团队利用密度泛函理论（DFT）计算和实验表征，证明了MXene由于具有丰富的负电荷基团，与BMIM+具有较高的吸附能，构建的SAM-MXene界面结构稳定（图2）。分子动力学（MD）模拟揭示了BMIM+阳离子与H2O分子具有较强的配位能力（比Zn2+高4倍），因此其被作为SAM，以干扰更多的界面H2O分子，并破坏H键网络的连续性，从而阻止界面处质子传输，抑制H2生成。通过一系列原位表征技术，证实了Zn@SAM-MXene负极在3000小时（1 mA cm−2）和1000小时（5 mA cm−2）的长循环寿命中，几乎没有H2产生。此外，所设计的负极还成功应用于大面积（10 × 5 cm2）的软包电池，展示了优异的电化学稳定性能。
图2. SAM-MXene电极稳定性表征。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202404825
