吴瑛教授、唐少春教授、胡立兵副教授， JPS文章：硫掺杂的石墨相氮化碳量子点加速去溶剂动力学用于提升水系锌离子电池性能

由于锌金属资源丰富、安全性高、环境友好，可充电水性锌离子电池（AZIBs）已成为锂离子电池的最先进候选材料。然而AZIBs存在不可避免的锌腐蚀、严重的氢气析出反应（HER）和猖獗的锌枝晶生长等问题，这严重影响了AZIBs的商业开发和实际应用。本质上，上述问题主要源于Zn²⁺离子与活性水分子[Zn(H₂O)₆]²⁺的反应，形成了溶剂化的鞘结构。这种鞘结构具有较高的解离能垒，并抑制了Zn²⁺离子的迁移动力学，从而限制了Zn²⁺离子在阳极和阴极中的迁移过程。因此，加速[Zn(H₂O)₆]²⁺去溶剂化迫在眉睫。

近日，来自塔里木大学的吴瑛教授、胡立兵副教授与南京大学的唐少春教授合作，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Sulfur-doped g-C3N4 quantum dots accelerating desolvation kinetics for high-performance aqueous zinc-ion batteries”的观点文章。该观点文章分析了S原子对C₃N₄量子点的电子结构的调控，同时利用其催化[Zn(H₂O)₆]²⁺去溶剂化，加速了其去溶剂化动力学，从而，在此过程钟释放出更多的游离Zn²⁺，有利于Zn²⁺离子在充放电过程中的可逆性，有效抑制了副反应的发生，极大地提升了水系锌离子电池性能。

采用尿素和硫脲为原料，通过煅烧结合水热法制备出 S-C₃N₄QDs。将其作为电解质添加剂加入 ZnSO₄溶液中，制得 S-C₃N₄ QDs@ZSO 电解质。该电解质可加速 [Zn (H₂O)₆]²⁺ 去溶剂化，释放更多游离 Zn²⁺，抑制锌腐蚀与副反应，提升锌电镀 / 剥离可逆性。

S 原子调控 C₃N₄ 电子结构，降低 [Zn (H₂O)₆]²⁺去溶剂化能垒。拉曼光谱显示添加剂抑制 SO₄²⁻与 Zn²⁺ 耦合，减少副产物生成；Zeta 电位测试表明其降低 Zn 金属表面净电荷，减弱双电层力，促进 Zn 均匀沉积；接触角测试证实其增强锌亲附性，利于均匀成核。

分子动力学（MD）模拟与密度泛函理论（DFT）计算显示，S-C₃N₄ QDs 通过静电吸引增强与 Zn²⁺作用，减少 Zn²⁺配位水分子数，使去溶剂化能垒从 6.91 eV 降至 3.02 eV，Zn²⁺ 扩散能垒降至 0.31 eV，加速离子迁移，抑制枝晶生长。

本人采用硫掺杂石墨氮化碳量子点用作AZIBs电解质添加剂时，由于S原子对C3N4的电子结构的调控，其作为催化剂能够加速[Zn(H₂O)₆]²⁺去溶剂化动力学，催化其快速去溶剂化，并在AZIBs中释放出更多的游离Zn²⁺。受益于此，锌的腐蚀被阻止，副反应被抑制，从而增强了AZIBs中镀锌/退锌的高可逆性。因此，锌阳极实现了高达99.09%的库仑效率。与纯ZnSO₄电解液相比，使用S-C₃N₄QDs电解质添加剂的全电池在5 A g^-1下显示出约74 mAh g^-1的更高比容量，同时它提供了显著的循环稳定性，在2000次充电后具有100%的容量保持率。该策略为开发具有催化性能的高效电解质添加剂提供了一种简便可行的方法，AZIBs中的去溶剂化能垒，从而为实现高性能和稳定的AZIBs提供了新的机会。

吴瑛教授简介：‌吴瑛是塔里木大学教授，硕士生导师，研究方向为天然产物分子结构与功能研究，长期从事化学工程与技术、材料与化工领域的教学与科研工作，曾获兵团“三八红旗手”称号。‌1996-1997年在清华大学作高级访问学者，从事国家自然科学青年基金的研究工作。2007年9月聘任为教授，2008年9月-2009年1月在上海外国语大学出国留学集训学习。主持、参与国家及省级课题6项，国家自然科学基金课题3项（主持一项），主持教育部二十一世纪创新人才培养途径的探索研究课题子课题一项；曾获得自治区教学成果奖2项（主持1项），厅级教学成果将4项；获分析测试协会科学研究项目成果奖1项；发表论文30余篇，其中主编、副主编二十一世纪教材、国家“十五”、“十一五”规划教材6部，其中，副主编的《有机化学》获2008年国家级精品教材，《实验化学》获自治区特色教材。

唐少春教授简介：‌男，1979年出生，现为南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师，南京大学海安高新技术研究院院长。他于2008年获得南京大学材料学专业博士学位，随后进入南京大学现代工程与应用科学学院任教，历任讲师、副教授、教授‌‌。唐少春教授在国际著名刊物上发表了近90篇SCI论文，被引用超过2000次，多篇论文入选本领域高倍引用论文。他的科研成果获得了多项省部级以上的科技奖励，包括2015年江苏省科技进步奖和教育部科技进步二等奖，此外，唐少春教授还担任多个重要职位，包括国际期刊Sci. Rep.的编委、江苏省“333工程”中青年科学技术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才等‌‌。他积极参与学术交流和产业合作，推动科研成果的产业化和应用‌‌。

胡立兵副教授简介：胡立兵，男，塔里木大学副教授，硕士研究生导师，主持省级人才项目1项，发表论文20余篇，在J.Energy Chem., J. Alloy Compd.，Catal. Lett., Chin. Chin. Lett.等发表SCI收录论文10余篇, 中文核心2篇。

吴鹏举，塔里木大学化学化工学院2023级硕士研究生，以第一作者身份在Journal of Power Sources, Journal of Energy Storage 和Dalton Transactions等期刊发表多篇研究论文，目前研究方向为高性能水系锌离子电池电解液添加剂的设计与开发。