田文明教授Journal of Materials Chemistry A重建氢键网络以实现高度可逆的铁金属阳极

第一作者：梁东光

通讯作者：田文明*

单位：北华航天工业学院

铁基水系电池因铁资源丰富、成本低廉且安全性高，成为电网级大规模储能的潜力候选技术，但酸性环境下铁金属电沉积/溶解过程中析氢反应(HER)与Fe²⁺沉积的竞争关系、强氢键网络导致的沉积不均等问题，造成库仑效率低、循环稳定性差，而现有络合剂或有机共溶剂策略存在环保隐患或安全风险，因此开发绿色安全、高效稳定的铁沉积调控策略，成为推动其大规模应用的关键。

近日，来自华北航天工业学院的田文明教授团队在国际权威期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Reconstructing hydrogen bond networks to enable highly reversible iron metal anodes”的研究论文。该研究聚焦水系铁金属阳极电池在大规模储能应用中面临的析氢反应、库仑效率低等问题，系统探究了氢键网络重构策略对铁沉积/剥离过程的调控机制，同时报道了以乙酰胺为添加剂优化电解质体系的创新性成果，为低成本、高安全性的大规模储能电池发展提供了新思路。

为了探究Ace添加剂对铁沉积行为的影响，研究首先测试了不同Ace浓度（0–2.0 M）FeCl₂电解液的电化学性能。随着Ace浓度增加，电解液离子电导率逐渐下降，因此后续实验选择0–2.0 M Ace以保证足够的导电性。CV测试表明，Ace的加入减小了Fe²⁺氧化还原峰间距，提升了沉积/溶解的可逆性。LSV结果显示，Ace的加入使析氢电位负移，Tafel斜率增大，有效抑制了HER动力学。沉积实验进一步证实，Ace不仅将平均电流效率从73.69%提升至97.63%，还通过SEM观察到沉积形貌从疏松枝晶转变为均匀致密的细晶层。CA测试表明Ace提高了沉积能垒，促进细晶成核；接触角测量则显示Ace降低了Fe/电解液界面自由能，有利于均匀沉积。

为进一步阐明Ace的作用机制，研究通过XRD分析了沉积Fe的晶体取向。结果表明，Ace显著增强了（110）晶面的衍射强度，同时抑制了（211）晶面的信号。（110）/（211）的晶面强度比随沉积容量的上升而增大，相对织构系数也证实（110）面优势增强。这一现象源于Ace分子中C=O基团对高表面能的（211）面优先吸附，阻断了Fe²⁺在该面的沉积路径，从而诱导Fe在低能、密排的（110）面均匀成核与生长。SEM形貌对比进一步验证，Ace电解液中Fe沉积层平整连续，而无Ace电解液则出现明显枝晶与表面起伏。

为揭示Ace抑制HER的结构根源，研究采用FTIR和Raman光谱分析了电解液的氢键网络。FTIR显示，随着Ace浓度增加，O–H伸缩振动峰发生蓝移，表明水分子内O–H共价键增强；C=O峰的红移则证实Ace与H₂O发生配位作用。Raman光谱进一步显示O–H伸缩带蓝移，经分峰拟合后发现，Ace的加入使强氢键比例下降、弱氢键比例上升，说明原有的H₂O–H₂O氢键网络被Ace–H₂O网络替代。这种重构阻断了质子传递路径，隔离了自由水分子，从而提高了HER过电位，抑制了析氢反应。

在明确Ace优化沉积行为与氢键结构的基础上，研究对比了不同电解液的电池性能。在Fe‖Cu半电池测试中，Ace将平均库仑效率从78.03%提升至95.75%，电压曲线也更加稳定。在全铁电池循环中，无Ace体系在39圈后CE开始衰减，最终稳定在60%左右；而Ace体系直至93圈后才出现衰减，循环寿命显著延长。沉积形貌演变观察发现，无Ace时Fe枝晶松散易脱落，形成“死铁”导致容量衰减；Ace则维持了致密均匀的沉积层，延缓了铜基板暴露。电压行为分析进一步表明，Ace体系具有更高的充电电压与更缓慢的放电电压衰减，说明电极表面活性物质保持良好。

Reconstructing hydrogen bond networks to enable highly reversible iron metal anodes

田文明教授简介：2017年博士毕业于北京航空航天大学，曾任职于中国航空工业昌河飞机工业集团有限责任公司，现为北华航天工业学院材料工程学院教授。长期从材料腐蚀与防护、电化学及金属-空气电池研究工作。以第一作者或通讯作者身份在Corrosion Science, Chinese Journal of Aeronautics, Journal of Materials Chemistry A等学术刊物上发表研究论文十余篇。

梁东光，北华航天工业学院材料工程学院2023届硕士研究生，主要研究方向为铁金属电池的能源储存与转化。