第73篇！楼雄文教授最新Angew.

成果简介

在2021年12月15日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授和北京化工大学于乐教授（共同通讯作者）等人在Angew. Chem. Int. Ed.上发表最新论文，该文题为“Formation of Super-assembled TiO_x/Zn/N-doped Carbon Inverse Opal Towards Dendrite-Free Zn Anodes”。值得注意的是，这也是楼老师在Angew. Chem. Int. Ed.上发表的第73篇研究工作！

前面的工作介绍详见：超燃！楼雄文教授，刚刚发表第72篇Angew！

在本文中，作者通过胶体晶体模板和随后的逐步拓扑化学反应，报道了一种高度有序的TiO_x/Zn/N-掺杂的碳反蛋白石（表示为TZNC IO）主体来调节锌（Zn）沉积，以实现稳定Zn金属负极（ZMAs）的空间限制方法。分布良好的非晶态TiO_x和Zn/N-掺杂碳可以作为亲Zn成核位点来降低成核过电位，以防止寄生反应（产生氢气）。更重要的是，高度有序的IO主体使局部电流密度和电场均匀化，可以稳定Zn沉积。

此外，三维（3D）开放网络可以调节Zn离子通量，从而在大电流密度下实现稳定的循环性能。连通孔内足够的空隙空间可以有效调节Zn离子通量并减轻体积膨胀。由于大量的亲Zn位点和开放式结构，TZNC主体能够实现表面致密的无枝晶的Zn沉积。正如预期的那样，TZNC IO主体在1 mA cm^-2的电流密度下保证稳定的Zn沉积/剥离，并具有超过450 h的长期稳定性。作为概念证明，作者展示了TZNC@Zn||V₂O₅全电池在5.0 A g^-1下显示出超过2000次循环的长寿命。

背景介绍

近年来，全球能源危机和环境恶化推动了安全可靠的储能系统（EESs）的发展。其中，水系可再充电锌离子电池（ZIBs）因其本质安全、环境友好和低成本而被认为是最具竞争力的器件之一。金属Zn因其高理论比容量（820 mAh g^-1）、低还原电位、高丰度和低毒性而被认为是ZIBs最理想的阳极选择。然而，Zn金属负极（ZMAs）的实际应用仍然面临着枝晶生长、表面钝化和寄生反应等挑战，因此使用ZMAs的Zn金属电池（ZMBs）存在循环寿命较差和库仑效率（CE）较低的问题。此外，ZMAs在重复的无主体Zn沉积/剥离过程中理论上会发生无限的体积变化，产生不致密和多孔的电沉积，最终导致活性物种脱离和容量快速衰减。

最近，研究人员提出了利用电解质优化、界面工程等策略来解决上述障碍，虽然亲Zn设计为促进Zn成核和自扩散过程并防止HER的发生提供了热力学驱动力，但是没有有序空间结构的3D主体的随机组装微/纳米结构通常会导致不均匀和不受控制的电场分布和不均匀的Zn离子通量。此外，惰性主体占据复合负极的重量和体积，降低了整个器件的能量密度。同时，由于高催化活性，纳米尺度的主体可能会加速副反应的反应动力学。因此，需要进一步探索成分控制以改善3D主体的亲Zn性质。

图文速递

第73篇！楼雄文教授最新Angew.

图1. TZNC IO制备示意图及结构表征

图2. Zn在TZNC主体上沉积示意图及其表征

图3. TZNC和Ti箔的性能比较

图4. TZNC@Zn、Ti@Zn和裸Zn的电学性能比较

图5. TZNC@Zn||V₂O₅和Zn||V₂O₅全电池的性能对比

总结展望

综上所述，作者通过一种有效的多步骤策略，报道了一种超级组装IO骨架作为无枝晶Zn宿主。TZNC IO主体的高度有序的3D开放网络具有足够的空隙空间，可以精确控制受限Zn沉积/剥离的电场分布。更重要的是，非晶态TiO_x和Zn/N-掺杂碳的整合可以作为Zn优先成核和生长的亲Zn位点。由于空间规则和优化的成分，TZNC主体在低成核过电位下可以实现均匀的Zn沉积，使用寿命超过450 h。此外，由TZNC@Zn负极和商用V₂O₅正极构建的水系ZMBs在2000次循环中表现出优异的可逆性和良好的循环稳定性。

文献信息

Formation of Super-assembled TiO_x/Zn/N-doped Carbon Inverse Opal Towards Dendrite-Free Zn Anodes. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202115649.

https://doi.org/10.1002/anie.202115649.

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