​厦大「国家高层次人才」&华科大「国家杰青」联手，新发JACS！

第一作者：Xiaoyu Yu，Ming Chen

通讯作者：乔羽，邹业国，冯光

通讯单位：厦门大学，华中科技大学

乔羽，厦门大学化学化工学院教授，博士生导师。国家海外高层次人才（青年项目），福建省杰青。研究方向，二次电池储能体系机理研究与材料研发、电化学原位光谱、电极/电解液表界反应机理研究。

冯光，华中科技大学能源与动力工程学院教授/博导，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学学会会士。近些年来，一直从事与能源领域中的微纳尺度界面相关的基础问题研究，在有关新型电能储能装置应用方面取得了一些成果。研究工作具有能源、化学、物理和材料等方向综合交叉的学科特点。

论文速览

了解界面析氢反应（HER）对于调节锌（Zn）电池的电化学行为至关重要，但与溶剂化化学相关的HER机制仍然难以捉摸，特别是氢键（H-bond）在电场作用下随时间的动态演变。本研究通过结合原位光谱学和分子动力学模拟，揭示了水系锌电池中HER与溶剂化化学的关系。

研究发现，在Zn沉积/剥离过程中涉及两个关键变化过程：初始形成富含H₂O的界面（突然变化）和随后的氢键动态演变（逐渐变化）。在Zn离子去溶剂化过程中，氢键数量增加且强度减弱，形成稀薄界面，导致大量氢气产生。在Zn离子溶剂化过程中形成浓缩界面，氢键数量减少且强度增强，产生少量氢气。

这些发现有助于理解Zn沉积/剥离过程中氢键演变与竞争性HER的关系，并阐明了高浓度下电化学窗口扩大和HER抑制的本质。本研究提出了一种新的水系电解液调控策略，以电场下界面状态的突然变化作为锌性能提升的标准。

图文导读

图1：ZnSO₄电解液中H₂O的局部溶剂化结构，包括氢键的分类和实验与模拟的配对分布函数/径向分布函数图。

图2：原位FTIR测量的电化学池示意图和界面变化过程的时间分辨率。

图3：Zn沉积/剥离过程中界面溶剂化结构的动态演变。

图4：在偏压下电双层（EDL）建立的突变，包括不同浓度ZSE的绝对吸收和相对吸收的变化。

图5：EDL建立后氢键动态演变的逐渐变化，包括不同浓度下的相对吸收变化。

图6：Zn沉积/剥离过程中HER机制的分子洞察，包括H₂O富集界面的形成和氢键网络的动态变化。

总结展望

本研究深入探讨了水系锌电池中锌离子去溶剂化/溶剂化过程中氢键的动态演变及其对HER的影响。通过实验和模拟相结合的方法，本研究不仅重现了界面处溶剂化结构的电位依赖性，而且揭示了这种依赖性与氢键数量和强度变化的关系。

结果表明，通过调控初始形成的富含H₂O的界面，可有效地抑制HER动力学，从而提高电池性能。本研究为设计电解液溶剂化环境提供了分子层面的见解，为提高水锌电池的性能和推动其大规模应用奠定了基础。

文献信息

标题：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