北京
研究内容
在水基电化学储能装置中，电化学界面处水的不受控制的水解限制了这种水性电池或超级电容器在商业中的应用。“盐水”设计是拓宽水性电解质电化学稳定性窗口的有效策略，但高制造成本、高电解质粘度等缺点也阻碍了其发展。
受细胞膜中生物离子通道的启发，重庆大学李猛提出了一种有效的方法来设计电极表面，诱导电化学界面处水合离子的去溶剂化，并抑制非浓缩电解质中水的分解。生物工程策略能够诱导受控的去溶剂化，并加速水合离子（如钾）的运输。亚纳米设计（0.8 nm）迫使水合钾离子以仅0.3的水合数脱离其溶剂化壳，而孔群和钾离子之间的静电相互作用促进了它们的运输。锌电池在1 mA cm-2/10 mAh cm-2下具有超过1000小时的稳定循环寿命。相关工作以“Accelerating Ion Desolvation via Bioinspired Ion Channel Design in Nonconcentrated Aqueous Electrolytes”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。
研究要点
要点1.作者受生物离子通道的启发，探索了水合离子通过孔径受限域和静电相互作用的筛分和传输特性。首先，使用硬模板和软模板方法在电极表面构建亚纳米级离子孔通道。在1 M KCl非浓缩电解质中研究了不同电极孔径对K+脱水的影响及其与水分解活性和电压窗口稳定性的关系。
要点2.生物膜对K+的超选择性还源于氧原子与K+之间的协同作用。作者在多孔电极的孔表面对18-冠-6进行了修饰，使其与K+具有比结合能力。离子水合数的减少和水分子结构的演变是抑制低浓度电化学界面水分解的有效策略。通过修饰冠醚分子在电化学界面上引入负电位不仅具有一定的去溶剂化作用，而且可以加速阳离子的传输。
要点3.冠醚改性的介孔碳涂覆在易发生副反应和树枝状晶体的水性锌离子电池阳极，可以抑制水分解引发的副反应和枝状晶体，延长锌阳极的循环寿命（1000小时）。
该工作为多孔电极的结构设计提供了新的视角，并揭示了相对孔/离子尺寸与脱水效应、纳米强化下的水分解反应性以及水性超级电容器中带电孔和离子传输特性之间的相互作用。
研究图文
图1. 离子通道工程：仿生多孔电极方案，灵感来自细胞中的K+通道，用于调节水性超级电容器（SCs）和水性锌离子电池（ZIBs）的析氢反应（HER）反应性。
图2. 仿生多孔碳的表征。
图3. 不同孔径电极在非浓电解质中的电化学性质。
图4. 不同孔径电极中K+溶剂化壳的实验表征和理论计算。
图5. 离子传输中的静电相互作用。
文献详情
Accelerating Ion Desolvation via Bioinspired Ion Channel Design in Nonconcentrated Aqueous Electrolytes
Jiangbin Deng, Guanfeng Xue, Chen Li, Shuang Zhao, Yujie Zheng, Yuting He, Ruduan Yuan, Kaixin Wang, Tangming Mo, Yuxuan Xiang, Yu Chen, Yang Geng, Luda Wang, Guang Feng, Xu Hou, Meng Li*
J. Am. Chem. Soc.
DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c15443
版权声明：「崛步化学」旨在分享学习交流化学、材料等领域的最新资讯及研究进展。编辑水平有限，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
