科学网—盐城工学院陈富于&中南大学周江等：多羟基分子调节剂实现碱性锌铁液流电池界面微环境编程
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2026-10-19 13:46
| 系统分类: 论文交流
Polyhydroxy Molecular Regulator Enabled Interfacial Microenvironment Programming for Alkaline Zinc–Iron Flow Batteries
Hui Chen, Lukang Han, Shaohua Han, Weijie Fan, Xuhong Yin, Junqing Pan, Manal S. Ebaid, Yuxi Song*, Fuyu Chen*, Jiang Zhou*
Nano-Micro Letters (2027)19: 47
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02333-
1. 一剂双效，同步编程： 异麦芽酮糖醇 (Isomalt)作为多羟基分子调节剂，在体相中重构氢键网络、降低水活度以抑制析氢；在碳毡界面通过优先的横向吸附构筑富羟基界面层，均化锌酸根离子传输并引导锌沿(002)晶面 择优生长 。
2. 绿色高效，性能跃升： 仅需1 wt%添加量，电池即可在20 mA cm⁻²下稳定循环超过500次；在10 mA cm⁻²下，全电池能量效率达到87.5%。长循环条件下库仑效率约98%，每次循环容量衰减率仅0.009%，优于多数已报道的碱性 ZIFB 体系。
研究背景
氧化还原液流电池(RFBs)因功率输出与能量输出相互独立、本征安全性高以及架构可扩展等优势，在电网级储能领域展现出广阔应用前景。其中，锌基体系凭借优异的能量密度、低成本及锌资源储量丰富等优势备受青睐；锌铁液流电池(ZIFBs)更兼具理想的电化学性能与显著的经济优势。然而，锌负极在反复沉积/剥离过程中的不稳定性制约着其实用化：在三维多孔电极中，不受控的锌沉积易引发枝晶生长、内部短路风险与容量快速衰减；析氢副反应(HER)则进一步削弱锌的可逆性、降低库仑效率并加速电极失稳。在膜改性、电解液设计与电极表面工程等诸多探索中，电解液调控策略尤为引人注目——它能够在不显著增加器件复杂度或成本的前提下，实现对锌沉积行为的系统性调控。
内容简介
针对碱性锌铁液流电池中三维多孔电极的析氢与锌沉积失控难题， 盐城工学院陈富于与中南大学周江等人 报道了一种多羟基分子调节剂——异麦芽酮糖醇(Isomalt)，通过重构多孔碳毡的界面微环境，赋予多孔电极更强的锌沉积导向功能，实现可逆的锌沉积/剥离。在电解液体相中，异麦芽酮糖醇重构局部氢键网络、降低水活度并抑制析氢；在碳毡/电解液界面，其优先的横向吸附形成富羟基界面层，均质化锌酸根离子传输并引导锌晶粒沿(002)晶向择优生长，从而促进致密、可逆的锌沉积。界面微环境编程显著降低了锌负极的 电荷转移电阻 与活化能垒，使电池在20 mA cm⁻²下实现超过500次稳定循环；优化后的ZIFB在10 mA cm⁻²条件下能量效率达到87.5%，全面优于原始电解液体系。这项工作确立了多羟基分子作为三维多孔电极“界面编程单元”的设计理念，为水系液流电池中金属沉积的定向调控提供了新思路。
图文导读
I 氢键重构 与界面吸附：多羟基调节剂的作用机制
异麦芽酮糖醇作为多羟基分子调节剂，在多孔碳毡电极中发挥“双区耦合” 的调控作用：在电解液本体中，其密集的羟基广泛参与氢键的给予与接受，重构水分子氢键网络、降低水活度，从而抑制寄生析氢反应(HER)；在碳毡/电解液界面处，其优先的横向吸附构筑起一层富含羟基的界面微环境，均化局部锌酸根离子(Zn(OH)₄²⁻)的传输，并通过“准通道” 式的离子输运引导锌沿(002)晶面择优、致密生长。左侧为原始电解液的“氢键网络不均匀、锌酸根传输不均、析氢与枝晶并发” 情形，右侧为引入异麦芽酮糖醇后“氢键网络重构、锌酸根传输均匀、横向吸附抑制枝晶” 的情形，二者形成鲜明对照，是全文核心设计思想的直观概括(图1)。
分子动力学(MD)模拟表明，加入异麦芽酮糖醇后电解液总氢键数量从约1000条增至约1300条，丰富的羟基参与氢键的给予与接受，构建起更致密的氢键网络。相互作用区域指标(IRI)分析显示，异麦芽酮糖醇的羟基与Zn(OH)₄²⁻的氧原子之间存在强氢键相互作用，刚性分子骨架的空间排斥则提供局部约束，二者共同稳定锌酸根离子的局部配位环境。电子密度差与能量分解分析进一步证实，横向吸附构型下电荷再分配更强、色散作用贡献更大。FTIR、XPS及微分电容测量结果证实异麦芽酮糖醇衍生物种在Zn表面发生了界面吸附。异麦芽酮糖醇由此在体相与界面同时发力，构建出富含羟基的界面微环境，为均匀的局部锌物种传输与更可控的锌沉积奠定了物理化学基础(图2)。
图1. 异麦芽酮糖醇多功能调控机制：体相氢键网络重构(降低水活度、抑制析氢)与碳/电解液界面优先横向吸附。
图2. 含/不含异麦芽酮糖醇电解质的氢键网络模拟、异麦芽酮糖醇与Zn(OH)₄²⁻及碳界面的相互作用分析与机制示意。
II 电化学行为：1 wt%为最优添加量
随异麦芽酮糖醇含量增加，电解液离子电导率先升高后降低，并在1 wt%时达到最大值——适量添加可优化离子传输，过量则引发过度缔合。EIS显示1 wt%电解质对应最低的电荷转移电阻；CV曲线中其阳极/阴极峰电位差最小、峰电流密度最高，表明可逆性更优、电镀/剥离动力学更快；峰电流与扫描速率平方根呈良好线性，符合扩散控制特征。计时电流法显示1 wt%体系在锌电沉积过程中维持更平滑、更稳定的电流响应；LSV与Tafel分析进一步表明HER起始电位负移、腐蚀电流密度降低。这些结果证明异麦芽酮糖醇通过体相氢键与界面微环境的耦合调控，改善局部传质、优化成核/生长行为并抑制水驱动的副反应(图3)。
图3. 不同电解质的电导率、EIS、CV、计时电流、成核行为及LSV/Tafel分析。
III 锌沉积的表面演变：电流分布均匀化与表面平滑化
有限元模拟结果分析表明，在原始电解液(PE)中，即使到锌沉积后期，表面突起处仍存在持续的局部电流集中，非均匀的电流分布会在长时间沉积中加剧形貌不稳定性；而含1 wt%异麦芽酮糖醇的电解液在整个沉积过程中呈现更均匀的电流密度分布，局部电流聚焦得到有效缓解。表面高度演化呈类似趋势：PE中表面波动持续放大，而1 wt%体系中高度分布逐渐变得平缓、均匀。定量分析显示，含异麦芽酮糖醇电解质中电流密度变异系数下降更快，沉积过程中表面粗糙度降低也更明显，有效抑制了粗糙度的累积(图4)。
图4. 有限元模拟锌沉积过程中电流密度与表面高度的演化。
IV 锌沉积特性表征：致密沉积与(002)择优织构
SEM图像显示，PE中沉积的锌在碳毡表面形成疏松的枝晶状沉积，而1 wt%体系中沉积层致密、光滑且均匀覆盖于碳基材表面；AFM证实后者表面粗糙度显著更低。XRD与相对织构系数分析表明，异麦芽酮糖醇使(002)取向衍射增强、(102)取向减弱，分子吸附能与锌原子扩散能的计算支持其对(002)择优生长的增强作用。XPS分析显示，PE循环电极呈现更强的氧化碳与Zn–OH信号，表明界面副反应加剧；而异麦芽酮糖醇修饰电极保持富含含氧有机物的碳环境、Zn–OH信号明显减弱，证实水驱动副反应受到抑制、含锌界面更加稳定(图5)。
图5. 不同电解液中碳毡表面锌沉积的SEM、AFM形貌及XRD织构、XPS谱学分析。
V 全电池性能评估：高效率与长循环兼得
在全电池的性能评估中，使用1 wt%电解液的电池极化显著更低、放电容量更高。在10-110 mA cm⁻²宽电流密度范围内，库仑效率(CE)稳定高于98.2%，能量效率(EE)自87.5%(10 mA cm⁻²)缓降至45.0%(110 mA cm⁻²)，而PE体系效率急剧衰减。自放电测试中，PE电池开路电压在2000分钟后衰减至约0.5 V，优化体系在4000分钟后仍维持约1.3-1.4 V。动力学分析表明，表观活化能由21.1 kJ mol⁻¹降至14.2 kJ mol⁻¹，面电阻由3.3 Ω cm²降至2.7 Ω cm²，最大功率密度由250 mW cm⁻²提升至350 mW cm⁻²。长期循环中，优化ZIFB实现高CE(~98%)、高EE(约87%)与500余次稳定循环的平衡组合，每次循环容量衰减率仅0.009%，超越多数已报道的碱性ZIFB(图6)。
图6. 碱性ZIFB工作原理示意及全电池容量、倍率、自放电、活化能、极化与长循环性能。
VI 总结
研究表明，异麦芽酮糖醇在碱性ZIFB体系中作为将体相-电解液重构与界面微环境调控相耦合的多羟基“分子调节剂”：在体相中，它重构局部氢键网络、调节水活度，从而抑制析氢；在多孔电极界面处，其优先横向吸附形成富羟基界面层，调控局部锌酸根离子传输并引导锌沿更有利的模式生长。通过这一耦合调控机制，优化的1 wt%电解质将电荷转移电阻降低至18.4 Ω、表观活化能降低至14.2 kJ mol⁻¹，显著提升锌沉积/剥离可逆性、减小极化并加速电池级反应动力学，使ZIFB实现高CE、高EE与超过500次的稳定循环。
该策略以低成本、绿色易得的糖醇分子实现了对三维多孔电极界面微环境的精准编程，确立了多羟基分子作为“界面编程单元”的设计理念，有望为水系液流电池中金属沉积的定向调控乃至其他电池体系的界面工程提供有益借鉴。
作者简介
陈晖
本文 第一作者
盐城工学院 副教授
▍ 主要研究 领域
(1)液流电池；(2)锌电池；(3)电催化。
▍ 主要研究成果
盐城工学院材料科学与工程学院副教授。本科毕业于东北大学，博士毕业于中国科学技术大学。2019年加入盐城工学院至今。发表SCI检索高水平论文20余篇，授权中国发明专利10余件，参与制定国家标准/能源行业标准10余件，获省部级科学技术奖1项。
▍ Email： hchen@ycit.edu.cn
陈富于
本文 通讯作者
盐城工学院 教授
▍ 主要研究 领域
(1)液流电池；(2)锌电池；(3)电催化。
▍ 主要研究成果
盐城工学院 材料科学与工程学院教授。本科毕业于东北大学，博士毕业于中国科学院金属研究所。2018年加入盐城工学院至今。主持完成国家自然科学基金项目1项，省部级项目2项；发表SCI检索高水平论文20余篇；获省部级科学技术奖2项。
▍ Email： fychen@ycit.cn
周江
本文 通讯作者
中南大学 教授
▍ 主要研究 领域
(1)锌基储能材料与器件；(2)锂/钠离子电池。
▍ 主要研究成果
中南大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，入选科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者、湖南省科技创新领军人才。受邀担任Nano-Micro Lett.期刊副主编，Natl. Sci. Rev.材料学科编辑，Chem. Soc. Rev. 顾问编委会成员。研究成果以一作或通讯作者发表在Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., Natl. Sci. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem.等国内外一流期刊，论文被引50000余次，曾先后入选ESI高被引论文100余篇，“中国百篇最具影响国际学术论文” 3篇，获湖南省自然科学二等奖1项。主持国家自然科学基金4项(含原创探索项目1项)。
▍ Email： zhou_jiang@csu.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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