第一作者：Xiaoyu Yu，Ming Chen

通訊作者：喬羽，鄒業(yè)國，馮光

通訊單位：廈門大學，華中科技大學

喬羽，廈門大學化學化工學院教授，博士生導(dǎo)師。國家海外高層次人才（青年項目），福建省杰青。研究方向，二次電池儲能體系機理研究與材料研發(fā)、電化學原位光譜、電極/電解液表界反應(yīng)機理研究。

馮光，華中科技大學能源與動力工程學院教授/博導(dǎo)，國家杰出青年科學基金獲得者，英國皇家化學學會會士。近些年來，一直從事與能源領(lǐng)域中的微納尺度界面相關(guān)的基礎(chǔ)問題研究，在有關(guān)新型電能儲能裝置應(yīng)用方面取得了一些成果。研究工作具有能源、化學、物理和材料等方向綜合交叉的學科特點。

論文速覽

了解界面析氫反應(yīng)（HER）對于調(diào)節(jié)鋅（Zn）電池的電化學行為至關(guān)重要，但與溶劑化化學相關(guān)的HER機制仍然難以捉摸，特別是氫鍵（H-bond）在電場作用下隨時間的動態(tài)演變。本研究通過結(jié)合原位光譜學和分子動力學模擬，揭示了水系鋅電池中HER與溶劑化化學的關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)，在Zn沉積/剝離過程中涉及兩個關(guān)鍵變化過程：初始形成富含H₂O的界面（突然變化）和隨后的氫鍵動態(tài)演變（逐漸變化）。在Zn離子去溶劑化過程中，氫鍵數(shù)量增加且強度減弱，形成稀薄界面，導(dǎo)致大量氫氣產(chǎn)生。在Zn離子溶劑化過程中形成濃縮界面，氫鍵數(shù)量減少且強度增強，產(chǎn)生少量氫氣。

這些發(fā)現(xiàn)有助于理解Zn沉積/剝離過程中氫鍵演變與競爭性HER的關(guān)系，并闡明了高濃度下電化學窗口擴大和HER抑制的本質(zhì)。本研究提出了一種新的水系電解液調(diào)控策略，以電場下界面狀態(tài)的突然變化作為鋅性能提升的標準。

圖文導(dǎo)讀

圖1：ZnSO₄電解液中H₂O的局部溶劑化結(jié)構(gòu)，包括氫鍵的分類和實驗與模擬的配對分布函數(shù)/徑向分布函數(shù)圖。

圖2：原位FTIR測量的電化學池示意圖和界面變化過程的時間分辨率。

圖3：Zn沉積/剝離過程中界面溶劑化結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變。

圖4：在偏壓下電雙層（EDL）建立的突變，包括不同濃度ZSE的絕對吸收和相對吸收的變化。

圖5：EDL建立后氫鍵動態(tài)演變的逐漸變化，包括不同濃度下的相對吸收變化。

圖6：Zn沉積/剝離過程中HER機制的分子洞察，包括H₂O富集界面的形成和氫鍵網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化。

總結(jié)展望

本研究深入探討了水系鋅電池中鋅離子去溶劑化/溶劑化過程中氫鍵的動態(tài)演變及其對HER的影響。通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，本研究不僅重現(xiàn)了界面處溶劑化結(jié)構(gòu)的電位依賴性，而且揭示了這種依賴性與氫鍵數(shù)量和強度變化的關(guān)系。

結(jié)果表明，通過調(diào)控初始形成的富含H₂O的界面，可有效地抑制HER動力學，從而提高電池性能。本研究為設(shè)計電解液溶劑化環(huán)境提供了分子層面的見解，為提高水鋅電池的性能和推動其大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

文獻信息

標題：Unlocking Dynamic Solvation Chemistry and Hydrogen Evolution Mechanism in Aqueous Zinc Batteries

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c02558