王功名Angew.：快速可逆水性Zn电池的配体场效应—调节表面反应动力学！

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研究内容

通过配体取代设计缺水的Zn2+溶剂化鞘层是一种广泛使用的保护Zn金属阳极的策略，但Zn成核/溶解动力学与侧氢析出反应（HER）之间的内在权衡仍然是一个巨大的挑战。

中国科学技术大学王功名教授课题组发现具有适度配体场相互作用的硼酸（BA）可以部分取代Zn2+溶剂化鞘中的H2O分子，形成稳定的缺水溶剂化鞘。它能够实现快速的Zn成核/溶解动力学，并显著抑制HER。具有BA添加剂的Zn//Zn对称电池在5mA cm-2的高电流密度下显示出5.25 Ah cm-2的累积镀覆容量，具有84 mV的超低电压滞后。相关工作以“Regulating Surface Reaction Kinetics through Ligand Field Effects for Fast and Reversible Aqueous Zinc Batteries”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.硼酸（BA）具有比大多数有机小分子更宽的氧化电位和稍弱的配位能力，由于形成π背键，BA与锌离子（Zn2+）具有中等的配体场相互作用，能够实现优异的Zn成核/溶解动力学和优异的水解离抑制。X射线吸收精细结构（XAFS）和核磁共振（NMR）测量表明，BA仅通过配体交换部分取代了Zn2+配位层中的水分子，形成了一个新的、稳定的缺水溶剂化鞘。

要点2.含BA添加剂的Zn//Zn对称电池在0.5 mA cm-2的电流密度下稳定循环3000小时以上。即使在5 mA cm-2下，显示出5.25 Ah cm-2的累积镀容量（CPC）和超低电压滞后为84 mV，表明Zn2+的成核/溶解动力学显著。

要点3.原位光学显微镜和有限元分析（FEA）表明，BA还可以调节锌电极表面周围的电场，以实现均匀的锌沉积。通过系统地比较BA和以往报道的电解质添加剂（包括BA、AN、EG和葡萄糖（Glu））之间的配体场强和溶剂化能，发现Zn2+溶剂化鞘的相对自由能与Zn成核/溶解动力学和HER抑制能力有很强的相关性，表现出典型的火山行为。

配体场效应相关反应动力学提供了一个强大的平台，可指导快速可逆锌电池及其他溶剂化护套的设计。

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研究图文

图1. Zn2+与添加剂之间的配体场强度，相应的溶剂化鞘以及HER和Zn成核/溶解反应动力学的影响。

图2. BA在锌阳极界面反应中的作用。

图3. BA/ZnSO4电解液中锌阳极的电化学性能。

图4. 解读配体的调制本质和相应的氧化还原动力学。

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文献详情

Regulating Surface Reaction Kinetics through Ligand Field Effects for Fast and Reversible Aqueous Zinc Batteries

Bo Liu, Cong Wei, Zixuan Zhu, Yanyan Fang, Zenan Bian, Xin Lei, Ya Zhou, Chongyang Tang, Yitai Qian, Gongming Wang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202212780

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