北化工AEM：Sn/TiO2 纳米粒子在空心介孔碳球蛋白石中的空间限制用于稳定锌金属负极

水系锌金属电池由于其低成本、高安全性和环境友好等优点在储能领域显示了广阔的应用前景。然而，缓慢的Zn²⁺扩散和高的成核能垒导致无序的Zn枝晶生长和有害的副反应，严重阻碍了Zn金属负极(ZMAs)的商业化发展。

在此，北京化工大学于乐团队将具有受限 Sn/TiO₂ 簇的中空介孔碳球蛋白石（HMCSST）作为空间调节锌沉积的主体。具体而言，由于有序分层多孔结构的毛细管效应可显著促进 ZMA 和电解质界面的快速沉积动力学。此外，封装的超细 Sn/TiO₂ 簇可作为亲锌位点，实现分层多孔蛋白石基质上均匀的 Zn 沉积。

基于此，HMCSST 主体有效降低了活化能，从而实现了 Zn 成核和生长的时空有序化。结果显示，稳定的 HMCSST-Zn 电极可确保在对称电池中以 37.5% 的放电深度实现稳定的 Zn 沉积/剥离，并具有超过 1300 小时的循环稳定性。此外，HMCSST-Zn||钒酸铵全电池在 10.0 A g⁻¹ 和低极化条件下表现出超过 5000 次循环的长寿命。

图1. 作用机制示意图

总之，该工作报告了将 HMCSST 组成的有序蛋白石框架作为稳定 ZMA 的亲锌主体。具体而言，HMCSST 的高度有序的分层多孔结构提供了强大的毛细管效应，可显着加速扩散动力学。此外，HMCSST 主体的 3D 空心球阵列具有足够的空隙空间，可以控制电场分布，以实现均匀的锌沉积/剥离。HMCSST 主体中封装的 Sn/TiO₂ 亲锌位点可以增强 Zn 原子的吸附并降低 HER 催化活性。因此，HMCSST 主体能够实现金属锌的时空有序沉积，抑制锌枝晶生长和副反应，同时表现出优异的电池性能。

图2. 电池性能

Spatial Confinement of Sn/TiO2 Nanoparticles in Hollow Mesoporous Carbon Spheres Opal for Stable Zn Metal Anodes, Advanced Energy Materials 2024 DOI: 10.1002/aenm.202304138

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