南开大学程方益JACS： 环糊精促进Zn负极的动力学和稳定性！

　　1

　　研究内容

　　在水性锌电池(AZBs)中，为了稳定锌(Zn)负极，亲水性的Zn/电解液界面使电流均匀化可提高了反应动力学，而疏水性界面则阻止了水诱导的析氢和锌腐蚀。所以，具有疏水和亲水功能基团的大环环糊精(CDs)分子是一个理想的Janus模型，可以同时获得缓解副反应和提高Zn2+扩散/沉积动力学，具有广阔的电化学应用前景。

　　南开大学程方益教授课题组报告了CD分子(α-，β-和γ-CD)作为可充电Zn电池电解质添加剂，比较研究了α-CD、β-CD和γ-CD的组成和CD添加剂的浓度对Zn负极电化学反应的影响。结果表明，CDs可用于Zn负极的改进，增强动力学，抑制寄生反应，稳定循环性能。相关工作以“Boosting the Kinetics and Stability of Zn Anodes in Aqueous Electrolytes with Supramolecular Cyclodextrin Additives”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

　　

　　2

　　研究要点

　　要点1.作者主要从活化能、成核过电位和三维扩散电流三个方面评价剧情片了镀锌反应动力学。α-CD在ZnSO4水溶液中的加入降低了Zn镀层的成核过电位和活化能，抑制了H2的生成。通过密度泛函理论计算、分子动力学模拟和光谱分析表明，α-CD分子优先通过仲羟基平行吸附在Zn表面，比溶剂化效应更明显。

　　要点2.在配以10 mM α-CD的合理化的3 M ZnSO4电解液中，α-CD抑制了Zn负极的水诱导的析氢和氢氧化物生成副反应。α-CD的亲水表面具有强的电子密度，加快了Zn2+的电沉积动力学和减轻Zn枝晶，形成致密的沉积形貌。

　　要点3.3 M ZnSO4+10 mM α-CD电解液能够在1 mA cm-2的Zn|Cu电池中提高其电镀/剥离的库仑效率(~99.90%)，在Zn|V2O5全电池中显著提高Zn负极的可逆性，在3.0 A g-1的高倍率下循环800次后容量保持率可达84.20%，适用于Zn(CF3SO3)2水溶液电解质。

　　该研究为利用超分子大环来调节和增强水电池化学金属阳极的界面稳定性和动力学提供了深入的见解。

　　3

　　研究图文

　　

　　图1. 水电解质中CD分子及其电化学性质的表征。

　　

　　图2. Zn沉积动力学分析。

　　

　　图3. Zn负极的电化学测试及形貌表征。

　　

　　图4. 添加和不添加α-CD对电池电化学性能的影响。

　　

　　图5. α-CD添加剂优点的机理理解。

　　4

　　文献详情

　　Boosting the Kinetics and Stability of Zn Anodes in Aqueous Electrolytes with Supramolecular Cyclodextrin Additives

　　Kang Zhao, Guilan Fan, Jiuding Liu, Fangming Liu, Jinhan Li, Xunzhu Zhou, Youxuan Ni, Meng Yu, Ying-Ming Zhang, Hui Su, Qinghua Liu, Fangyi Cheng*

　　J. Am. Chem. Soc.

　　DOI: 10.1021/jacs.2c00551

　　5

　　作者简介

　　

　　程方益，男，湖北人，2003年南开大学化学系本科毕业，2009年获南开大学化学学院博士学位，现任南开大学化学学院研究员，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，国家杰出青年科学基金获得者，教育部新世纪优秀人才支持计划，教育部首届青年教育部特聘教授，科技部中青年科技创新领军人才，中国化学会青年化学奖，国家“万人计划”科技创新领军人才，2018-2019 Clarivate全球高被引科学家，2014-2019 Elsevier中国高被引学者，中国电化学青年奖等。

　　主要从事新能源材料化学研究，围绕过渡金属氧化物，发展了尖晶石氧化物温和可控制备方法，揭示系列锰氧化物电极材料性能构效规律，开发了镁梯度掺杂高镍锂电池正极材料，构建了具有低成本、高能量密度的新型可充金属空气电池和可充水系锌电池。在Nature Chem.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.等期刊发表论文100余篇，被他引17000余次，连续入选Clarivate全球高被引科学家和Elsevier中国高被引学者。

　　版权声明：「崛步化学」旨在分享学习交流化学、材料等领域的最新资讯及研究进展。编辑水平有限，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！