厦门大学乔羽教授团队， Nano Letters最新研究

第一作者：赵庆奥，余小雨

通讯作者：余小雨*，邹业国*，乔羽*

单位：厦门大学

锌金属表面的析氢反应（HER）制约着水系锌电池的发展。人们提出添加离子液体（IL）添加剂来隔离界面水并抑制析氢反应。然而，添加亲水性或疏水性离子液体是否能有效抑制析氢反应，这似乎存在 “矛盾之处”。在此，尽管亲水性/疏水性的差异会导致界面水含量有所不同，该研究证明了亲水性和疏水性离子液体对界面氢键的构型有着一致的影响。具体而言，它们都会同时减少弱氢键的数量，并增加强氢键的数量，这使得水的去质子化过程（与析氢反应相关）变得更加困难。此外，通过原位光谱技术捕捉界面氢键的动态演变过程，成功地将界面氢键的演变与锌金属表面有害的析氢副反应联系起来。本文从界面氢键动态演变的角度加深了人们对界面工程的理解。

基于此，来自厦门大学的乔羽教授团队，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Hydrophilic or Hydrophobic: Revealing the Role of an Ionic Liquidby an Interfacial Hydrogen Bond in an Aqueous Zinc Battery”的观点文章。该观点文章分析了现在在水系锌离子电池领域常用的离子液体添加剂的亲疏水性对电解液/电极界面氢键的影响，揭示了其提升锌电性能机制。

图一 亲疏水离子液体添加剂抑制析氢反应

离子液体对电极和电解质作用特殊，影响双电层结构与界面反应。通过在ZnSO₄电解液加不同浓度离子液体，依据溶解度选择了0.05 m添加浓度为研究对象并探究亲、疏水离子液体添加剂研究对锌负极HER的影响。LSV、极化曲线表明离子液体可抑制HER，且疏水性离子液体抑制力更强。OEMS显示添加离子液体后氢气析出量少，疏水性离子液体产氢更少。综上，离子液体能抑制HER，疏水性离子液体抑制力更优，亲水性离子液体的结果存在与预期的矛盾。

要点二：揭示界面氢键的改变影响析氢反应

图二 揭示界面氢键的改变影响析氢反应

相比与ATR-FTIR，表面增强红外吸收光谱（SEIRAS） 对电极/电解液界面氢键变化更敏感。亲、疏水离子液体电解液的红外光谱显示水的O-H伸缩振动红移，氢键从弱向强转变，分峰拟合表明离子液体使界面水氢键变化显著，增加强氢键比例，抑制水的去质子化从而抑制HER。XPS 测试显示，锌箔与离子液体存在基于阳离子EMIM⁺的化学吸附。基于此，得出离子液体添加剂调控氢键的示意图：基础电解液界面水氢键变化小；亲水性离子液体使界面水增加并形成强氢键抑制HER；疏水性离子液体减少界面水，诱导其形成强氢键抑制HER。

要点三：揭示界面氢键动态演变过程

图三 揭示界面氢键动态演变过程

为关联和阐释氢键变化与析氢反应（HER）及锌沉积的关系，对比1 m和 4 m ZnSO₄电解液的红外光谱及差谱，发现电解液浓度从1 m增至4 m时，水的氢键变化为强氢键（S-H）比例增加、弱氢键（W-H）比例减少，且体系S-H比例随 Zn²⁺浓度降低而减小，由此关联S-H减弱与 Zn²⁺消耗及 HER。

为深入理解界面氢键重构对实际循环的影响，用原位FTIR检测电极/电解液界面氢键动态演变并阐明其与锌沉积时 HER 的关系。原位FTIR测试表明，添加离子液体的电解液在相同沉积时间下吸光度变化值大于基础电解液，且疏水性离子液体电解液吸光度变化值大于亲水性离子液体电解液。S-H键吸光度变化幅度与Zn²⁺消耗和HER竞争有关，变化大表明 Zn²⁺消耗高、锌沉积占优且HER受抑制。添加离子液体改变界面水氢键，降低 W-H比例、增加S-比例，抑制HER并改善锌沉积，实验证实即便亲水性离子液体增加界面水含量，二者均能抑制HER。

Hydrophilic or Hydrophobic: Revealing the Role of an Ionic Liquidby an Interfacial Hydrogen Bond in an Aqueous Zinc Battery

邹业国副教授简介：博士生导师，2023年博士毕业于中国科学技术大学（中科院长春应化所，导师：王立民/明军 研究员），随后在厦门大学与嘉庚创新实验室从事博士后研究（合作导师：孙世刚 院士/乔羽 教授），2025年加入厦门大学化学化工学院。研究方向主要为二次电池表界面化学、新型电解液设计及原位电化学谱学表征等。目前以第一作者/通讯作者在Nat. Commun、J. Am. Chem. Soc (2篇) 、Adv. Mater. (2篇)、Angew. Chem. Int. Ed (4篇). 、Adv. Energy Mater.和ACS Energy Lett.等国际知名期刊发表论文12篇 (EIS高被引4篇）。总被引超1800次。入选2025年度厦门大学“南强青年拔尖人才支持计划”，主持2023年度中国博士后面上项目，参与2024年度重大研究计划培育项目，曾获得中科院院长优秀奖等荣誉。

赵庆奥：厦门大学化学化工学院2023级硕士研究生