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Nano Res.[能源]│天津大学周凯歌、武美玲团队:二维亚纳米通道内受限水与物质输运关系研究及其在水系锌电池的应用

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背景介绍


水是一种通用物质输运介质,其具有快速离子迁移、易加工性、经济/环境友好性和阻燃性等独特性质,因此水在替代有机溶剂应用于可充电电池方面具有巨大的潜力。然而,由于水系电解质中水分子具有高的反应活性,容易造成金属阳极的腐蚀、副反应的产生和金属电沉积行为差,进而导致二次电池循环性能不稳定、库仑效率差和电池的失效。尽管已经有多种方法尝试调节水的活性,但多数方法牺牲了水体系中离子的快速迁移速度的优点,此外控制水状态的方法仍旧有限。亚纳米2D层状毛细管材料具有独特的超快离子传输。与自由水相比,受限空间中的水分子表现出不同的动力学行为,比如由于超高范德华压力,2D毛细管中的受限水呈现出异常的聚集状态。因此,丰富的2D材料家族为电解质的离子输运和水活性调控提供了更多的选择性。


成果简介


在此研究工作中,我们提出了2D蛭石和1D纳米纤维素(CNF)复合的策略,开发了一种类似珍珠层结构的亚纳米级物质输运通道,实现了高效调控电解质中水活性的目标。其中蛭石提供了2D毛细管的结构,CNF调节受限空间的尺寸。通过调控2D蛭石和1D纳米纤维素之间的比率,构筑出高度为6 Å和8 Å两种通道。通过表征不同环境湿度下电导率、吸水量和介电谱的变化,建立了1D/2D复合通道尺寸与Zn离子输运速度、层间水形态和弛豫时间之间的关系。进一步通过分子动力学模拟证实了大尺寸的1D/2D复合通道具有更快的离子迁移速度和快速水分子移动的可能性。我们同时证实了可以高效调控受限在亚纳米复合通道内的水的活性,且其弛豫时间要远远小于自由水。基于此,复合蛭石膜可以高效抑制锌电极和水分子之间的腐蚀及其他副反应。因此基于受限水电解质组装的Zn电池实现了优异的可逆Zn2+剥离和电镀过程、强抗刺穿性能和高达900小时以上稳定循环性能。这种基于1D/2D结构控制水活性的策略将有助于推动优异可逆性、高安全性和长期稳定性的水系储能装置的发展。此外,此项研究揭示了层间受限水和离子传输之间的关系,为今后调节二维材料层间快速物质输运提供了一种有效途径。


图文导读


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图1蛭石/纤维素复合膜(V-xCNF)的设计与表征。


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图2尺寸可控的亚纳米通道内锌离子传输和水弛豫行为。


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图3 复合蛭石膜在不同湿度下的锌离子传输及水弛豫行为。


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图4复合蛭石膜对于锌负极副反应的改善以及对枝晶的抑制和抵抗能力


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图5复合蛭石膜的电化学性能


作者简介


周凯歌,天津大学分子+研究院教授,2012年度英国皇家学会牛顿学者。在英国曼彻斯特大学、比利时天主教荷语鲁汶大学及兰州大学从事多年科学研究工作。主要研究方向为二维膜材料在物质超快弹道输运领域的应用,包括超快弹道输运的原位观测与机理研究、二维膜的设计与构筑、膜分离与化学催化、环境应用以及传感器件等领域。以第一作者或独立通讯作者在包括:Nature、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano 等期刊上发表论文10篇,影响因子总和108,单篇最高他引421 次;总计发表论文23 篇,他引1467 次。多篇论文入选 ESI高被引论文。


武美玲,天津大学分子+研究院副教授,入选“北洋学者英才计划”。2016年博士毕业于中国科学院化学研究所,之后在德国亥姆霍兹吉斯塔赫材料与海洋研究中心和美国马里兰大学从事多年科学研究工作。主要从事电化学能源存储与转化中的关键材料研究,聚焦聚合物燃料电池离子交换膜、二次电池电解质膜、电极/电解质界面电化学、电催化剂等。以第一作者在Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、等期刊发表论文,获PCT国际专利和中国专利授权各一项、2022中国新锐科技人物闪耀潜力奖。担任eScience青年编委。


文章信息


Li Y, Jin X, Yan X, et al. 1D/2D composite subnanometer channels for ion transport: The role of confined water. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5790-z.



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