image: a） 生物细胞膜中超流选择性钾离子KcsA通道示意图； b）仿生流选择性Zn2+离子膜传输示意图； c）超流 Zn2+在−ClO4 基团开关控制仿生通道中的跃迁路径示意图； d）使用溶剂辅助链基交换（SALE）过程将−ClO4基团嫁接到MOF-5纳米孔道材料的氧位点上合成仿生膜材料； e）嫁接−ClO4基团选择性仿生通道的差分电子密度和静电势图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》在线发表了由张凡博士、孙子其教授（昆士兰科技大学化学与物理学院，澳大利亚）、廖婷教授（昆士兰科技大学机械医学与过程工程学院，澳大利亚）和江雷院士（中国科学院大学，北京）的研究成果。该研究团队提出了将生物细胞膜的仿生特性应用到水系锌离子电池的设计中，取得突破进展。
水系锌离子电池（AZIBs）因其丰富的锌储量、可观的容量（820 mAh g−1）和较低的氧化还原电位（−0.76V vs SHE），被认为是最有前途的可持续储能装置之一。跟其它活泼金属电池以及水系电池类似，不良的枝晶生长和自发副反应，如电极腐蚀和析氢反应，严重限制了其实质性的大规模应用。尽管一些有效的策略被提出来解决这些挑战，例如表面电场调节、Zn2+通量调节、新型电解质和电极设计等，但仍迫切需要一种可行的方案可以同时让水系锌离子电池获得高容量和高倍率性能并有效抑制在服役中枝晶生长和副反应的问题，使其达到长寿命工作的目标。
在进化良好的生物细胞中，在由一层极薄的脂质和蛋白质组成细胞膜中存在许多具有超高离子渗透选择性和超高流量传输能力的特定离子通道。例如定向超快钾离子KcsA通道，通过通道口的酶开关可以实现精准的钾离子选择性（K+/Na+ 选择性 > 1000）和极高的传输通量（1.67 ×10−3 mol m−2 s−1）。这些选择性超流离子通道用于维持生命活动并同时阻止其他不参与生命活动的离子通过。受细胞膜的选择性超流离子通道启发，研究人员提出了一种可以实现锌的选择性和超流的仿生策略来同时获得超快的锌离子选择和传输。通过将具有电负性的−ClO4基团嫁接到金属有机框架MOF-5纳米孔道材料上实现离子选择的开关功能以及纳米超流效应来模拟细胞膜离子通道，仿生膜实现了完美的锌离子选择性（t+ = 0.96 vs. 锌电极的0.57，t+ = 0.5表示无选择性）和锌离子超流传输（1.9 ×10−3 mmol m−2 s−1）。由于仿生膜的整流效应和离子选择性，无论是锌电极还是铜电极，均获得了平行于（002）晶面方向的无枝晶水平沉积，从而避免了锌枝晶的生长和刺穿电池隔膜从而导致电池短路这一恶性事件的发生。
这项工作提供了一种新颖可行的方法来实现电极表面的离子通过选择性和超流特性来解决水系锌离子应用中枝晶生长、电极腐蚀以及析氢等关键问题，为锌离子电池的实际应用提供了一种可行的方案。另外，这种仿生设计也是一种解决其他活泼金属电池中类似问题的通用方法，可以扩展到其他活泼金属可充电电池领域中。
研究详情请见原文：
Zn-ion ultrafluidity via bioinspired ion channel for ultralong lifespan Zn-ion battery
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae199
Journal
National Science Review