1799年，意大利科學(xué)家Alessandro Volta發(fā)明了世界上最早的水系電池——伏打電堆（Volta Pile），標(biāo)志著電池技術(shù)的誕生。盡管近年來鋰離子電池在新增裝機(jī)容量中占據(jù)主導(dǎo)地位，但水系電池憑借其固有的安全性、高離子電導(dǎo)率以及低成本優(yōu)勢，在儲能領(lǐng)域仍然占據(jù)重要的市場份額。電池本質(zhì)上是電極材料與電荷載流子之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器。在這一過程中，水溶液作為電荷載流子的傳輸介質(zhì)，能夠有效促進(jìn)電荷的遷移與積累，發(fā)揮著類似于“高速公路”的作用。然而，水的熱力學(xué)穩(wěn)定電壓窗口較窄，通常為0至1.23 V（相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），使其易于引發(fā)包括水分解在內(nèi)的多種副反應(yīng)，并伴隨副產(chǎn)物的生成。此外，水系電解液難以在電極表面形成有效的固體電解質(zhì)界面相（SEI），從而無法有效抑制電極材料與溶劑水之間發(fā)生的不可逆電子轉(zhuǎn)移，這導(dǎo)致電量損耗，并帶來嚴(yán)重自放電現(xiàn)象。

針對這一問題，我校材料學(xué)院翟騰教授等提出了亞鐵氰根“皮膚”的設(shè)計理念，旨在抑制過渡金屬化合物（TMC）電極在水系電解液（特別是低濃度鹽溶液）中發(fā)生析氧副反應(yīng)（OER）。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這一理念對多種TMC材料具有廣泛的適用性，并在水系儲能器件中具有重要的應(yīng)用價值。該研究以氧化鎳（NiO）為例，闡明了NiO自放電的抑制機(jī)制。研究表明，修飾的亞鐵氰根“皮膚”具有豐富的Fe-C≡N末端，能夠開啟一條全新的反應(yīng)路徑。該路徑具有較高的OER能壘，從而有效抑制了與OER同步發(fā)生的電極副反應(yīng)，顯著提升了電極在充電狀態(tài)下的穩(wěn)定性，抑制了自放電。該研究成果以“Ferrocyanide ‘Skin’-Mediated Anticatalysis: Mitigating Self Discharge in Aqueous Electrochemical Devices”為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會志》：Journal of the American Chemical Society, 2024, 10.1021/jacs.4c16996.（文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c16996#）。我校為論文第一通訊單位。論文第一作者為材料學(xué)院博士生李錦與南京工業(yè)大學(xué)孫碩博士，翟騰教授與夏暉教授為論文通訊作者。工作中所涉及理論計算由材料學(xué)院李爽副教授完成。

亞鐵氰根“電極皮膚”抑制水引發(fā)副反應(yīng)

上述研究成果得到了國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、江蘇省優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目的支持。