北化工王峰教授/牛津副教授团队Small：“化腐朽为神奇”——腐蚀产物衍生的纳米阵列改性金属锌负极

第一作者：毋冰

通讯作者：王峰*，牛津*

单位：北京化工大学

水系锌金属电池因其生态友好、容量较高、安全性好而受到越来越多的关注。金属锌具有电势低(−0.76 V vs SHE)、比容量高(820 mA h g⁻¹或5855 mA h cm⁻³)、与水反应活性低等优点，因而通常用于水系锌金属电池的构建。然而，锌负极仍存在一些严重的问题，阻碍了它们的实际应用。以腐蚀问题为例，Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O作为锌负极在ZnSO₄电解质中的腐蚀产物，具有结构疏松多孔、形貌不均一的特点，不仅不能抑制持续的副反应，反而会增加电极极化、诱导枝晶生长，阻碍了锌金属电池的实际应用。

近日，北京化工大学王峰教授、牛津副教授团队在国际知名期刊Small 上发表题为“Transforming Undesired Corrosion Products into a Nanoflake-Array Functional layer: A Gelatin-Assistant Modification Strategy for High Performance Zn Battery Anodes”的研究工作。该工作通过简单可控的腐蚀热解过程，以明胶作为辅助剂，将腐蚀产物转变成均一的纳米片阵列，作为锌金属负极表面功能层。作者详细揭示了功能层对锌负极的改性机理，改性后的锌负极在半电池和全电池中均表现出优异的性能，展示了该策略良好的应用前景。

作者采用明胶辅助腐蚀和低温热解方法在锌负极上构建了功能层。在明胶的辅助作用下，腐蚀产物被转化为均匀的纳米片阵列，其主要成分为明胶碳包覆的 ZnO （Zn@ZnO@GC）。原位/非原位测试和理论计算表明，明胶碳作为亲锌功能层，增强了电子传导性，促进了 Zn²⁺ 的去溶剂化过程，提高了传输/沉积动力学，还抑制了Zn@ZnO@GC 负极上HER和腐蚀反应的发生。此外，三维纳米片阵列还能有效均匀电流密度和 Zn²⁺ 浓度，从而抑制枝晶的形成。因此，使用 Zn@ZnO@GC 负极的对称电池表现出卓越的循环性能（在 1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2 条件下超过 7,000 小时，在 3 mA cm^-2/3 mAh cm^-2 条件下超过 2,000 小时），甚至在高达 25 mAh cm^-2 时也不会发生短路。Zn@ZnO@GC||NVO 全电池的放电容量达到 169 mAh g^-1，即使在 N/P 比约为 5.5 的条件下也能稳定工作 5,000 次，显示出良好的应用前景。

综上，受 Zn 箔在 ZnSO₄ 电解液中腐蚀反应的启发，该工作采用明胶辅助腐蚀和低温热解方法，成功地在 Zn 负极表面构建了功能层。在明胶的辅助下，腐蚀产物被转化为均匀的纳米片阵列，该阵列由带有明胶碳包覆层的ZnO组成。明胶碳增强了电子/Zn²⁺传导性，促进了 Zn²⁺脱溶，抑制了HER和腐蚀反应。同时，均匀的纳米片阵列具有良好的亲锌性，能有效引导均匀的锌镀层/剥离，抑制枝晶的形成。因此，改进后的锌负极在半电池和全电池中均表现出良好的性能。这项工作不仅为制备高性能锌负极提供了一种新颖而简单的方法，而且促进了锌金属电池的实用化发展。

Transforming Undesired Corrosion Products into a Nanoflake-Array Functional layer: A Gelatin-Assistant Modification Strategy for High Performance Zn Battery Anodes

王峰，教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，2003年毕业于日本东京都立大学工学获工学博士学位，2003年至2006年在日本国立信州大学完成博士后研究。现任北京化工大学副校长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室主任，兼任北京表面工程学会第八届理事会副理事长、中国化学会能源化学专业委员会委员、教育部科技委材料学部委员。主要从事电催化材料、电化学储能材料、纳米炭材料以及应用电化学工程等领域的研究。2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2011年获得国家杰出青年科学基金资助。先后承担了国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金区域联合基金重点支持项目、北京市科技计划项目以及企业委托项目等10余项科研项目，在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Nano Energy, ACS Catal., Energy Storage Mater. 等国际期刊上发表SCI学术论文共200余篇，编写英文专著1部，获国家发明专利授权50余件、欧洲和日本发明专利授权各1件，获省部级科技奖励一等奖和二等奖各1项。

牛津，副教授，硕士生导师，2018年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业，获工学博士学位（导师王峰教授），2017-2018年在美国麻省理工学院访问交流（导师Kong Jing教授），2019-2020年在日本东京都立大学进行博士后研究工作（合作导师Kiyoshi Kanamura教授）。主要从事电化学储能材料及应用研究，近年来以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Energy Storage Mater., Small, J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J.，等期刊发表论文30余篇，其中IF>15的12篇，IF>10的22篇，ESI高被引论文3篇，封面封底论文4篇。编写英文专著1部，申请国家发明专利16项，授权7项。担任英文期刊eScience、Battery Energy、Energy Materials and Devices、Advanced Powder Materials、Tungsten等期刊青年编委，担任Molecules杂志专刊客座编辑。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费基地项目、北京化工大学青年优秀后备人才项目和企业委托项目等8项。

毋冰，女，北京化工大学博士研究生