水系鋅離子電池是有前途的下一代儲能設備，但存在析氫反應（HER）和鋅負極表面複雜的副反應等問題。HER通常涉及幾個關鍵過程，主要包括質子在電解質體相中的傳輸，以及在負極界面處得電子被還原。通常，質子遵循“Grotthus”機制沿着由H₂O分子形成的氫（H）鍵網絡進行跳躍傳輸（圖1）。因此，質子傳輸速率是Zn(H₂O)₆²⁺的五倍以上，促進了鋅負極表面的HER。由于質子最終在電極界面處得電子被還原為H₂，因而相較于電解質體相，調控界面處的H鍵網絡可以更有效地影響質子傳輸過程。因此，阻斷電解質/電極界面處的H鍵網絡，從而阻止界面處質子傳輸，成為抑制析氫的有效策略。

圖1. 質子遵循“Grotthus”機制在氫（H）鍵網絡進行跳躍傳輸。

我院新能源材料化工團隊（潘争輝研究員、楊曉偉教授）前期已經在鋅負極界面調控取得系列進展（Adv. Mater., 2021, 33, 2008424, Nano-Micro Lett., 2023, 15, 46, Energy Storage Mater. 2023, 59, 102767等）。近日通過在Ti₃C₂T_x（MXene）基底上錨定離子液體陽離子（BMIM⁺）構建了自組裝的單分子層（SAM），以實現無HER的穩定鋅負極。相關研究成果以“Blocking Interfacial Proton Transport via Self-Assembled Monolayer for Hydrogen Evolution-Free Zinc Batteries.”為題發表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。

潘争輝/楊曉偉團隊利用密度泛函理論（DFT）計算和實驗表征，證明了MXene由于具有豐富的負電荷基團，與BMIM⁺具有較高的吸附能，構建的SAM-MXene界面結構穩定（圖2）。分子動力學（MD）模拟揭示了BMIM⁺陽離子與H₂O分子具有較強的配位能力（比Zn²⁺高4倍），因此其被作為SAM，以幹擾更多的界面H₂O分子，并破壞H鍵網絡的連續性，從而阻止界面處質子傳輸，抑制H₂生成。通過一系列原位表征技術，證實了Zn@SAM-MXene負極在3000小時（1 mA cm⁻²）和1000小時（5 mA cm⁻²）的長循環壽命中，幾乎沒有H₂産生。此外，所設計的負極還成功應用于大面積（10 × 5 cm²）的軟包電池，展示了優異的電化學穩定性能。

圖2. SAM-MXene電極穩定性表征。

原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202404825