Ksp调控的电化学蚀刻策略：具有强内建电场的BaSO4功能化NiCo-LDH实现高性能水系碱性锌电池- 大数跨境

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Ksp调控的电化学蚀刻策略：具有强内建电场的BaSO4功能化NiCo-LDH实现高性能水系碱性锌电池

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2025-06-13

导读：Ksp调控的电化学蚀刻策略：具有强内建电场的BaSO4功能化NiCo-LDH实现高性能水系碱性锌电池

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文章信息

Ksp调控的电化学蚀刻策略：具有强内建电场的BaSO₄功能化NiCo-LDH实现高性能水系碱性锌电池

作者：位柳絮、王昱鹏、高睿涵、刘佳佩等

通讯作者：王磊、肖振宇

单位：青岛科技大学

推文作者：位柳絮

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研究背景

全球能源需求增长与环境压力加剧，推动高效储能技术的发展。水系碱性锌电池因锌储量丰富、安全、低成本且环保的特性，成为备受关注的储能技术。然而，该电池面临阳极反应快与阴极扩散慢的动力学失配问题，导致高功率下的能量密度较低。尽管层状双氢氧化物阴极具有结构优势，但其低电导率和离子传输各向异性限制了电荷转移。异质界面工程的新进展为克服这些限制提供了可能。通过构建强内置电场，集成不同功函数材料可驱动界面电荷重新分布，增强电子迁移率和离子脱溶动力学。同时，异质结产生的晶格应变在层状双氢氧化物层上诱导缺陷，扩大离子传输通道，缩短扩散路径，从而提高传输速率。不过，当前合成策略难以在异质界面实现原子级精度，限制了电活性界面的最大化利用，且在平衡电荷转移效率与结构稳定性方面仍面临挑战，尤其是在需要同时引入多级孔隙结构和保持相纯度晶体排列的情况下。

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文章简介

近日，来自青岛科技大学的肖振宇副教授和王磊教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ksp-Regulated Electrochemically Etching Strategy: BaSO₄-Decorated NiCo-LDH with Strong Built-in Electric Field for High-Performance Aqueous Alkaline Zinc Batteries”的观点文章。本文通过Ksp调节的电化学蚀刻策略解决了以上挑战，利用BaSO₄和CoSO₄或Ba(OH)₂之间Ksp差异，实现了精确构建BaSO₄纳米点锚定NiCo-LDH异质结构（BS@CN-LDH）的选择性蚀刻。通过系统性筛选不同价态的阴/阳离子体系，证实硫酸根离子对CoNiBa-MOF框架中Ba位点具有特异性识别能力。在电场辅助条件下，氢氧根离子与硫酸根离子的协同蚀刻作用可在LDH层状结构的缺陷位点引发快速相变，于4分钟内实现BaSO₄纳米晶的定向成核生长。密度泛函理论（DFT）计算和UPS分析表明，异质界面存在强大的内置电场，驱动界面电荷从NiCo-LDH向BaSO₄再分布0.013 e。

该实验具有以下优点：

（1）通过整合具有不同功函数的材料，费米能级平衡驱动界面电荷重新分配，产生定向内置电场，增强异质界面上的电子迁移率和离子脱溶动力学；

（2）这种在异质界面和电子重构上产生的缺陷结构协同优化了离子扩散途径和电荷转移动力学；

（3）热力学选择性使得在快速的分钟尺度过程中精确构建BaSO₄纳米点锚定NiCo-LDH异质结构，实现了对异质界面结构的原子级控制。

优化后的BS@CN-LDH电极材料在电流密度为2 mA cm^-2时具有450.5 mAh g^-1的高比容量，在10000次循环后仍保持83.3%的优异循环稳定性。此外，制造的BS@CN-LDH//rGO-Zn AAZB电池在0.27 kW kg^-1的功率密度下实现了747.9 Wh kg^-1的创纪录能量密度。

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图文导读

图1：(a) BS@CN-LDH电极制备工艺流程图；(b)和(c) CNB-BDC的SEM图像；(d)和(e) BS@CN-LDH的SEM图像；(f) BS@CN-LDH的TEM图像；(g)和(h) BS@CN-LDH的HRTEM图像；(i) Ni(OH)2与BaSO₄非均相界面的界面晶格畸变图；(j) BS@CN-LDH的TEMTEM-Mapping图像。

图2：(a) XRD谱图；(b) Co 2p XPS光谱；(c) Ni 2p XPS光谱；(d) Ba 3d XPS光谱；(e) S 2p XPS光谱；(f) O 1s XPS光谱；(g)和(h) SKPM图像；(i)和(j) 表面电位。

图3：(a) UPS光谱；(b) 能带结构模型；(c) 原子几何模型；(d) DOS；(e) 界面电荷密度差图。

图4：BS@CN-LDH、CN-LDH和CNB-LDH的电化学性能：(a) 1 mV s-1时的CV曲线；(b) 2 mA cm^-2时的GCD曲线；(c)和(d)分别为BS@CN-LDH的CV和GCD曲线；(e) 比容量与电流密度的线性关系；(f) 不同扫描速率下BS@CN-LDH样品表面控制过程和扩散控制过程的电容贡献率；(g) Niquist阻抗曲线；(h) 波德相角图；(i) ∆j与扫速的线性拟合曲线；(j) 在电流密度为20 mA cm^-2时的循环性能。

图5：(a) BS@CN-LDH//rGO-Zn AAZB装置原理图；(b) BS@CN-LDH//rGO-Zn器件在不同电流密度下的GCD曲线；(c) 1~10 A g^-1在不同电流密度下的速率性能和可逆性；(d) 拉贡图阐明了能量密度和功率密度之间的基本关系；(e) BS@CN-LDH//rGO-Zn器件在10 A g^-1电流密度下的循环稳定性；(f) BS@CN-LDH//rGO-Zn软包装置。

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文章链接

Ksp-Regulated Electrochemically Etching Strategy: BaSO₄-Decorated NiCo-LDH with Strong Built-in Electric Field for High-Performance Aqueous Alkaline Zinc Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202510665

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作者简介

王磊，青岛科技大学二级教授，山东省杰青，博士生导师，现任省部共建生态化工国家重点实验室培育基地主任、青岛市电池安全与储能技术创新中心和青岛市工业固废高值化再利用创新中心负责人。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，导师冯守华院士。2008.10年-2010.10年在山东大学材料科学与工程博士后流动站从事博士后工作；2012.11-2013.05于美国德克萨斯州立大学圣安东尼奥分校做访问学者。

长期从事绿色能源相关领域研究，已主持包括七项国家自然科学基金面上项目、山东省杰青、山东省重大工程在内的30余项课题。近年来关注于光电催化剂的宏量制备、无机微波固相合成、海水资源化利用等方面；以通讯作者在Nat. Commun., Energy & Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. , Sci. China Chem.等国内外重要学术期刊上发表SCI论文400余篇，被他引25000余次，H因子78，31篇论文入选ESI高被引。2024年入选Scholar GPS“前0.05%顶尖科学家”榜单和爱斯唯尔中国高被引学者榜单。受邀在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Chinese J. Catal.等国际国内期刊发表多篇综述论文。作为主编出版学术专著两部。担任Chinese J. Catal., Nano Research等期刊编委，兼任青岛市科技服务协会会长，山东省清洁生产协会副理事长。

先后获得山东省自然科学奖二等奖、中国颗粒学会自然科学奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖等多项奖励。2021-2024连续四年获评山东省优秀博士论文指导教师。授权发明专利66项，多项成果实现了工业化应用。