赵东元院士晁栋梁教授，重磅JACS！

复旦大学赵东元院士和晁栋梁教授等人提出串联化学策略，通过Janus介孔加速器实现高效水系电池，相关成果发表于JACS。具体介绍如下：研究背景可充电锌基水系电池（ZABs）是“超越锂离子”储能技术之一，具有本质安全性、低成本和环保性，但锌沉积/剥离传质动力学缓慢，源于去溶剂化过程高能垒、锌腐蚀和析氢反应（HER），导致电化学性能变差。开发多功能固体电解质界面（SEI）面临挑战，负极沉积反应动力学受溶剂化阳离子吸附和去溶剂化过程控制，而溶剂化Zn2?团簇的捕获和脱溶剂过程在亥姆霍兹内部层内重合，对SEI设计构成障碍。此前构建SEI微观结构的努力多依赖单一功能设计，且不合理设计导致离子转移路径长、电荷转移电阻高。成果简介展示串联化学策略解耦和加速内亥姆霍兹层Zn2?团簇的吸附和去溶剂过程。电化学组装的介孔孔二氧化硅作为Janus介孔加速器，具有串联亲水 -OH和疏水 -F基团，可快速稳定Zn2?的还原反应。结合原位电化学数字全息术、分子动力学模拟和光谱表征，发现 -OH基团捕获电解液体相中的Zn2?团簇， -F基团排斥溶剂化壳层中的配位H?O分子，实现串联离子还原过程。所得到的对称电池在高电流密度下实现高度可逆性，串联化学在Zn//VO?和Zn//I?电池中的可行性得到证明，且可能适用于其他水系金属离子电池。Janus mSiO?的合成和表征通过电化学辅助的自组装过程合成，以锌基底为工作电极分两个阶段进行。将锌底物浸没在特定溶液中，采用恒流在正极生成氢氧根离子，控制不同硅烷的水解动力学，触发PFOTMS优先自缩聚，在Zn表面形成表面活性剂模板化的介孔二氧化硅纳米通道，在恒定电场作用下形成具有上 -OH和下 -F基团的Janus介孔SiO?中间相。通过在不同基材上生产中间相和调制电沉积时间，证明了合成方法的普遍性和可调整中间相厚度的能力。动力学和热稳定性制备并测试了一系列控制界面，包括裸锌负极、单亲水 -OH界面（OH -mSiO?@Zn）和疏水性 -F界面（F -mSiO?@Zn）。OH -mSiO?@Zn和OH -F -mSiO?@Zn电极因极性亲水基团，与电解液接触角较小，有助于降低电荷转移阻抗和增加离子电导率。介孔通道有效捕获Zn2?，降低浓差极化、欧姆和电化学极化，提高Zn2?选择性。OH -F -mSiO?串联化学的界面调控可促进吸附和提高Zn2?的脱溶剂动力学。电化学性能验证OH -F -mSiO?@Cu的成核过电位更低，OH -F -mSiO?@Cu//Zn电池在3000个循环中达到99.83%的平均库仑效率（ACE），意味着副产物形成有限。均匀的锌沉积归因于Zn2?在绝缘的Janus介孔界面中有利的三维扩散，而裸锌的二维扩散易导致锌枝晶生成。OH -F -mSiO?@Zn对称电池在不同电流密度下具有最低极化电压，在4和20 mA cm?2的高电流密度下，长循环寿命分别超过8000和800小时。溶剂化结构表征利用原位电化学数字全息技术（EDH）监测电极/电解液界面初始锌离子还原过程中的离子浓度演化，发现分布在上中孔通道中的Zn2?捕获基团可主动、均匀地从电解液体相中吸收Zn2?，这是实现无枝晶锌沉积的关键前提，原位光学显微镜结果验证了OH -F -mSiO?@Zn表面的无枝晶锌沉积。介孔加速器模拟原位EDH记录OH -F -mSiO?@Zn负极浸入电解液后有明显且均匀的颜色变化，归因于串联化学的界面通过静电力捕获Zn2?。分子动力学（MD）模拟表明，极性 -OH基团有效捕获Zn2?，Zn2?在OH -F -mSiO?表面附近积累，在富 -OH区域模拟浓度超过4 mol/L，是电解液体相中的2倍，形成局部高浓度微环境；疏水富 -F区排斥溶剂化Zn2?，得到更高浓度的Zn2?（5 M）和去溶剂的Zn2?结构。总结展望通过在设计复杂的Janus介孔加速器中诱导异步发生，提出串联化学策略，解耦和加速Zn(H?O)?2?团簇的捕获和脱溶过程。原位数字全息和电化学过程分析显示，Janus介孔相降低界面极化和加快脱溶动力学（活化能为7.66 kJ mol?1，为裸锌的20%）。分子动力学模拟和光谱分析提供原子水平见解，精心设计的锌负极表现出特殊稳定性和动力学，且串联化学可激发其他金属基电池的成功。