水系锌离子电池为实现环保和安全的储能设备提供了新的解决方案，遗憾的是，由于锌阳极处锌沉积不均匀、析氢和其他副界面反应引起的锌枝晶生长阻碍了进一步应用。
2024年11月14日，哈尔滨工业大学张乃庆、张宇团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Constructing Dual Schottky Junctions for High-Performance Zinc Anode”的研究论文，团队成员赵晨阳、刘泽平为论文共同第一作者，张宇、张乃庆为论文共同通讯作者。
该研究使用原位转化反应在锌阳极表面构建了多功能Bi-Bi2O3杂化人工界面层。其中，Bi-Bi2O3肖特基结构不仅能通过其内置电场显著加速Zn2+的迁移，而且有效地提高了析氢势垒（ΔGH*），从而抑制副反应。此外，界面层与金属锌界面之间形成的肖特基接触还调节了锌表面上的电子分布状态，优化了Zn2+的沉积过程，确保了锌沉积过程更加均匀有序。基于双肖特基结的协同效应，对称电池在1.0 mA cm-2和1.0 mAh cm-2的条件下实现了2000小时的稳定循环。以α-MnO2为阴极组装的全电池在1 A g−1下循环1000次后，容量为112.7 mAh g−l，容量保持率为84%。
DOI：10.1002/adfm.202411582
该研究采用电化学原位转化技术在锌电极表面构建了Bi-Bi2O3杂化人工界面层。该界面层中的Bi-Bi2O3肖特基异质结具有很强的内置电场，加速了Zn2+的迁移动力学。此外，这种异质结构对O电子的调控有效地提高了ΔGH*值，从而抑制了HER的发生。特别值得注意的是，界面层和金属-锌界面之间形成的肖特基接触有效地调节了锌表面上的电子分布状态，进一步促进了Zn2+沉积过程的均匀性。该机制不仅实现了Zn2+的有效传输，而且确保了Zn2+在锌电极表面上的均匀沉积。基于双肖特基结的协同效应，该锌阳极表现出优异的全过程稳定循环性能。
总之，该研究使用原位转化反应在锌阳极表面构建功能性Bi-Bi2O3杂化人工界面层。该界面层中的Bi-Bi2O3肖特基异质结显著弯曲了Bi2O3的表面能带，有效地增加了ΔGH*，从而显著抑制了HER的发生。同时，异质结内部形成的内置电场显著加速了Zn2+的传输速度，有效缓解了浓差极化现象。至关重要的是，Zn/Bi-Bi2O3肖特基接触调节了锌表面上的电子分布，促进了均匀的锌沉积。串联的双肖特基结的协同效应不仅促进了Zn2+通过涂层的快速迁移，还确保了Zn2+在锌表面上的均匀沉积。因此，组装好的锌阳极在1mA cm-2的电流密度下实现了长达2000小时的稳定循环。此外，以α-MnO2为阴极组装的全电池也表现出优异的电化学性能。以1C的速率循环1000次后，电池的剩余容量仍达到112.7 mAh g−1，容量保持率高达84%。该研究不仅加深了对锌沉积过程中人工界面层机理的理解，也为水系锌基储能电池的实际过程注入了新动力。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
