在水性Zn電池中，析氫反應(yīng)(HER)的電位高于Zn沉積，使得在實(shí)際的充放電循環(huán)中不可避免發(fā)生HER。一般來說，濃縮電解質(zhì)可以重新配置電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)，抑制HER反應(yīng)。然而，通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算和OEMS表征，歸因于具有強(qiáng)HER活性的大量Zn2+-H2O配位結(jié)構(gòu)的存在，濃縮電解質(zhì)對HER表現(xiàn)出熱力學(xué)優(yōu)勢；然而，在實(shí)際的充/放電循環(huán)中，濃縮電解質(zhì)對HER表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)劣勢并產(chǎn)生較少的H2。
為了探索和說明這種“矛盾”，廈門大學(xué)喬羽、鄒業(yè)國和余小雨等利用一系列光譜表征和電化學(xué)技術(shù)，在1和15 M ZnCl2電解質(zhì)中檢測了電極/電解質(zhì)界面上氫鍵的動(dòng)態(tài)演化和與Zn2+有關(guān)的配位結(jié)構(gòu)。具體而言，研究人員以半定量的方式將Zn2+相關(guān)配位結(jié)構(gòu)的消耗與氫鍵的變化聯(lián)系起來，并將其作為一個(gè)指標(biāo)，認(rèn)為這種“矛盾”是由于不同濃度電解質(zhì)體系中電解質(zhì)/電極界面N(Zn2+-H2O)/N(Zn2+-Cl-)的比值差異造成的。在充電過程中，Zn2+-Cl-配位結(jié)構(gòu)只能還原出Zn0，而Zn2+-H2O具有較高的捕獲電子能力，可還原產(chǎn)生H2。在濃縮電解質(zhì)中，Zn2+-Cl-配位結(jié)構(gòu)比例較高，Zn2+-H2O配位結(jié)構(gòu)比例較低，在電極/電解質(zhì)界面形成富Zn2+-Cl-和貧Zn2+-H2O層。因此，與低濃度電解質(zhì)相比，它主要在不導(dǎo)電的情況下進(jìn)行Zn的沉積。綜上，通過將界面氫鍵的動(dòng)態(tài)演化與Zn2+相關(guān)的溶劑化結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，系統(tǒng)地闡明了在Zn金屬陽極上沉積Zn與HER之間的競爭折衷關(guān)系，該項(xiàng)工作的研究結(jié)果可以幫助人們理解和設(shè)計(jì)抑制HER的電解質(zhì)。Competitive tradeoff between Zn deposition and hydrogen evolution reaction on Zn-metal anode. ACS Energy Letters, 2024. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01657
