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重庆大学李猛JACS | 仿生能源：生物离子通道启发的水系储能界面调控

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-15 09:00

正文

在碳中和战略背景下，储能技术已成为能源转型的核心挑战。水系电化学储能体系（水系超电容/电池）因其具有低成本、无污染和高安全等特性而备受关注。但是，由于金属离子的水合作用，水系电化学体系由水分解诱发的大量界面副反应严重制约其应用。自2019年起，重庆大学固液界面仿生小组（重庆大学-新加坡国立大学联合实验室）关注到生物细胞膜中普遍存在的离子通道。生物离子通道在实现离子跨膜输运的过程中不仅具备极高的传输效率，而且水合离子会以脱除溶剂化壳的方式高效传输。课题组受细胞膜离子通道"高效选择性传输"特性的启发，通过构建仿生电极界面来调控水合离子的传输特性有望抑制界面活性水分子的分解，提高界面的稳定性。经过4年的耕耘，课题组基于仿生离子通道优化水系储能界面开展了系统性的研究，如探究电解液中生物亲锌性添加剂对金属离子配位环境、电极界面热力学和动力学行为的影响机制（ Small 2023, 202207502, Adv. Sci. 2025, 11, 2404968，ACS Nano 2025, 19, 2427）;基于仿生离子通道组成单元冠醚分子与碱金属阳离子特异性结合的能力，探究冠醚分子调控水合锌离子的溶剂化结构稳定锌阳极界面的影响机制（J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 9167）;在锌负极表面构建了类细胞膜的结构的人工界面层，探究孔径限域效应对离子传输动力学和面热力学的影响规律（Small 2023, 19, 2305902, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202424184）; 将生物螯合概念原创性地引入到水系电池领域，系统地揭示螯合添加剂对电解液环境以及电池性能的作用机制（J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 9150-9158）。

本工作提出了一种电极表面设计的创新性策略，即通过模板法及冠醚分子修饰构建仿生离子通道碳电极，在水系超电容的电化学界面上诱导水合离子脱溶，显著抑制稀电解液中的水分解。该仿生离子通道策略不仅能够可控的诱导水合离子脱溶，还可以协同加速水合离子（如钾）的传输。研究中通过原位电化学石英晶体微天平（ EQCM ）、原位核磁共振（ NMR ）等技术探究了不同孔径下的限域效应对水合钾离子溶剂化壳的调控效果（图 1 ）。结果表明，亚纳米级的孔道设计使得水合钾离子以较高的效率脱除溶剂化壳，从而稳定电化学界面。同时，本工作通过 EDC 介导的酰胺化反应将能够与碱金属阳离子特异性结合的冠醚分子修饰到介孔碳中，以探究孔隙中的官能团与钾离子之间的静电相互作用对钾离子传输的影响。通过膜电流测试、分子动力学模拟和 COMSOL 模拟等结果验证了冠醚分子的引入可有效加速钾离子的传输（图 2 ）。另外，该仿生多孔碳电极构建策略也成功从水系超电容拓展至水系锌离子电池体系的电化学界面，实验结果证明该策略可有效调控水系锌离子溶剂化结构，并有效稳定锌负极界面。该工作以 “ Accelerating ion desolvation via bioinspired ion channel design in nonconcentrated aqueous electrolytes ” 为题发表在国际知名期刊《 Journal of the American Chemical Society 》上。