广西大学AFM: 界面分子工程构建具有疏水离子通道的三功能双层硅烷薄膜，用于高稳定性锌金属阳极

文章总结

易受影响的锌电极界面存在着不受控制的锌枝晶生长以及严重的寄生副反应问题，这限制了水系锌离子电池（AZIBs）的实际应用。一般的锌电极界面工程为缓解这些问题提供了一种有前景的方法，但受到保护层功能有限、亲和力低以及额外增加重量等因素的限制。在本研究中，通过硅烷偶联剂的精确组装，开发出了一种具有疏水性、离子缓冲能力以及强界面粘附性能的双层硅烷薄膜（SF）。精心设计的硅烷薄膜层使锌离子能够经历一系列连续的过程，包括被–CF3基团捕获，随后依次诱导去溶剂化、引导其通过硅烷纳米通道定向扩散以及缓冲扩散。这一系列多重过程促进了 [Zn (H2O) 6] 2 + 的快速去溶剂化，稳定了锌离子的传输，并抑制了副反应。因此，实现了无枝晶且高度可逆的 SF@Zn 阳极，其展现出超长的使用寿命（超过 4300 小时）、高库仑效率（循环 2600 次后达到 99.1%）以及出色的全电池容量保持率（循环 1000 次后为 83.2%）。这种创新策略通过多组分硅烷偶联反应在分子层面设计界面层，为提高锌阳极的稳定性提供了一种新方法，也为水系锌离子电池的先进界面设计提供了新的思路。

图文简介

a) 锌离子在裸锌阳极上沉积以及 b) 锌离子在 SF@Zn 阳极上的扩散沉积的示意图。c) SF@Zn 制备过程中涉及的反应。

a) 水分子、γ- 巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）和三氟丙基甲基二甲氧基硅烷（TFPS）单体的静电势（ESP）。b) 水、γ- 巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）和三氟丙基甲基二甲氧基硅烷（TFPS）的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）能级。c) 疏水功能层与锌离子（Zn²⁺）的吸附能，以及 d) 离子缓冲层与锌离子（Zn²⁺）的吸附能。e) 稳定界面层与锌（101）晶面的吸附能。f) 锌离子（Zn²⁺）在锌（002）晶面、锌（101）晶面和硅烷薄膜（SF）层上的吸附能比较。g) 锌离子（Zn²⁺）在水和硅烷薄膜（SF）层上的吸附能比较，以及硅烷薄膜（SF）层与水的吸附能。h) 水在锌（101）晶面和硅烷薄膜（SF）层上的吸附能比较。

a) SF@Zn 阳极制备过程的示意图。b) 裸锌、γ- 巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷（TFPS）和 SF@Zn 的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。c) SF@Zn 中硫（S）的 2p 轨道和 d) 氟（F）的 1s 轨道的 X 射线光电子能谱（XPS）。e) 裸锌和 SF@Zn 的接触角。f) SF@Zn 的扫描电子显微镜（SEM）图像和元素分布图。g) 通过原子力显微镜（AFM）测得的 SF 层厚度。

裸锌 || 二氧化锰（Bare Zn||MnO₂）、SH@Zn|| 二氧化锰（SH@Zn||MnO₂）和 SF@Zn|| 二氧化锰（SF@Zn||MnO₂）全电池的电化学性能比较：a) 在 0.5 毫伏每秒（mV s⁻¹）扫描速率下的循环伏安（CV）曲线，b) 倍率性能，c) 在 0.2 安培每克（A g⁻¹）电流密度下的充放电曲线，d) 电化学阻抗谱（EIS）曲线，e) 在 1 安培每克（A g⁻¹）电流密度下的长期循环稳定性，以及 f–h) 在 0.2 安培每克（A g⁻¹）电流密度下的自放电测试。

论文信息

通讯作者：Huibing He,  Yuanqin Zhu, Dongdong Li

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