苏州大学孙靖宇/程涛ACS Nano: 双功能生物质膜助力局域电解液管理实现稳定锌负极

第一作者：郭文奕，许亮

通讯作者：孙靖宇*，程涛*

通讯单位：苏州大学

锌金属因其成本低、理论容量高和氧化还原电位适当的特点而被认为是大规模储能系统的理想负极材料。然而，对于水系锌金属电池(AZIB)而言，负极侧的枝晶生长和析氢(HER)等副反应始终制约着其长期应用。结合水的高分解活性和氢键网络的快速H⁺、OH–传导能力催生了界面副反应，而不均匀的离子通量和锌成核沉积则诱导了枝晶形成。值得注意的是，这些因素之间存在着紧密的关联，共同影响AZIB的电化学循环稳定性和可逆性。

近日，苏州大学能源学院的孙靖宇教授课题组和程涛教授课题组合作，在ACS Nano上发表题为“Tailoring Localized Electrolyte via a Dual Functional Protein Membrane toward Stable Zn Anodes”的研究论文。该论文提出在了一种在水系锌离子电池负极侧使用蛋壳膜作为双功能保护层的局域电解液调控新策略。

界面层改性的材料选择包括无机和有机材料。一般来说，无机界面层的机械强度较低，在循环过程中容易破裂或脱落。相比之下，构建有机界面层是一种合理但具有挑战性的设计思路，该策略往往受制于材料毒性和制备技术。生物质材料凭借其高生物相容性、安全环保等优势受到了广泛关注。本工作将具有独特蛋白质骨架和空间结构的蛋壳膜(ESM)作为界面层引入负极。

作为蛋白质的基本骨架，酰胺键中呈现电负性的N和O原子可以作为活性位点与水成键。由红外测试的结果可知，界面氢键网络中的强氢键比例显著下降，揭示了连续氢键网络被破坏。此外，分子动力学模拟及拉曼光谱研究发现，ESM膜内Zn²⁺的配位状态由溶剂隔离离子对(SSIP)转变为接触离子对(CIP)。以上结果表明，β-片蛋白质层结构可以显著约束水分子，从而促使ESM减少结合水的总量，并提高局部电解液浓度。这些效应抑制了HER等副反应的发生。

此外，由纤维蛋白组成的3D网络结构具有一定的应力应变性能，均匀离子通量并限制枝晶沿纵深方向生长。伴随着成核晶粒的细化和成核密度的提高，后续的沉积呈现出平整化的趋势。

Tailoring Localized Electrolyte via a Dual Functional Protein Membrane toward Stable Zn Anodes

孙靖宇，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师，国家海外高层次人才引进计划青年人才，江苏省杰青，英国皇家化学会会士。江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室主任。主要从事石墨烯基材料的可控制备及能源器件应用研究。主持国家重大科技专项、国家重点研发计划课题。担任J. Energy Chem.等期刊编委。发表学术论文逾240篇。获ACS Nano Impact Award, 2DM Young Scientist Award等奖励。

程涛，苏州大学功能纳米与软物质研究院特聘教授，博士生导师，国家重大人才工程青年人才，江苏省特聘教授。近年来，主要从事理论化学与能源催化交叉领域的理论研究。开发了一系列原创理论模拟计算方法，并将其应用于能源相关的重要电化学反应其中包括反应机理研究，指导材料性质预测和先进功能材料的设计。迄今为止共发表SCI论文160余篇。