Regulating Water Molecules via Bioinspired Covalent Organic Framework Membranes for Zn Metal Anodes

共价键 分子 化学 金属 金属有机骨架 有机分子 纳米技术 材料科学 有机化学 吸附 生物化学
作者
Sida Zhang,Jiashu Chen,Weigen Chen,Yiwen Su,Qianzhi Gou,Ruduan Yuan,Ziyi Wang,Kaixin Wang,Wentao Zhang,Xiqian Hu,Zhixian Zhang,Pinyi Wang,Fu Wan,Jie Liu,Beibei Li,Yifei Wang,Guangping Zheng,Meng Li,Jingyu Sun
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202424184
摘要

The Zn metal anode in aqueous zinc‐ion batteries (AZIBs) faces daunting challenges including undesired water‐induced parasitic reactions and sluggish ion migration kinetics. Herein, we develop three‐dimensional covalent organic framework (COF) membranes with bioinspired ion channels toward stabilized Zn anodes. These COFs, featured by zincophilic pyridine‐N sites, enable effective regulation of water molecules at the anode‐electrolyte interphase. Systematic experimental analysis and theoretical simulations reveal the optimized COF‐320N membrane functions as ion pumps, accordingly facilitating Zn2+ transport and inhibiting direct contact between Zn anode and free water molecules. Consequently, the bio‐inspired strategy achieves improved Zn2+ transference number (0.61), rapid de‐solvation kinetics, and suppressed hydrogen evolution. The assembled Zn||MnO2 pouch cell integrated with COF‐320N membrane exhibits favorable electrochemical performances. Such a bioinspired concept for optimizing Zn anodes opens new pathways in developing advanced energy storage devices.
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