Tandem Chemistry with Janus Mesopores Accelerator for Efficient Aqueous Batteries

化学 水溶液 串联 介孔材料 电解质 溶剂化 吸附 电化学 杰纳斯 化学工程 分子 无机化学 纳米技术 物理化学 电极 有机化学 催化作用 工程类 材料科学 复合材料
作者
Lipeng Wang,Bao Zhang,Wanhai Zhou,Zaiwang Zhao,Xin Liu,Ruizheng Zhao,Zhihao Sun,Hongpeng Li,Xia Wang,Tengsheng Zhang,Hongrun Jin,Wei Li,Ahmed A. Elzatahry,Yasser A. Hassan,Hong Jin Fan,Dongyuan Zhao,Dongliang Chao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (9): 6199-6208 被引量:169
标识
DOI:10.1021/jacs.3c14019
摘要

A reliable solid electrolyte interphase (SEI) on the metallic Zn anode is imperative for stable Zn-based aqueous batteries. However, the incompatible Zn-ion reduction processes, scilicet simultaneous adsorption (capture) and desolvation (repulsion) of Zn2+(H2O)6, raise kinetics and stability challenges for the design of SEI. Here, we demonstrate a tandem chemistry strategy to decouple and accelerate the concurrent adsorption and desolvation processes of the Zn2+ cluster at the inner Helmholtz layer. An electrochemically assembled perforative mesopore SiO2 interphase with tandem hydrophilic -OH and hydrophobic -F groups serves as a Janus mesopores accelerator to boost a fast and stable Zn2+ reduction reaction. Combining in situ electrochemical digital holography, molecular dynamics simulations, and spectroscopic characterizations reveals that -OH groups capture Zn2+ clusters from the bulk electrolyte and then -F groups repulse coordinated H2O molecules in the solvation shell to achieve the tandem ion reduction process. The resultant symmetric batteries exhibit reversible cycles over 8000 and 2000 h under high current densities of 4 and 10 mA cm-2, respectively. The feasibility of the tandem chemistry is further evidenced in both Zn//VO2 and Zn//I2 batteries, and it might be universal to other aqueous metal-ion batteries.
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