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 近日，我院乔锦丽教授团队在锌空气电池锌负极界面工程领域取得重要进展，相关成果以“Engineering Atomic-Level Bi-N_x/C–Bi₂O₃ Interfaces on Zn Anodes for 2000-Hour Stable Zn–Air Batteries”为题发表于中科院一区TOP期刊Energy Material Advances（影响因子15.9，https://doi.org/10.34133/energymatadv.0569）。

 团队通过精准原子级界面调控策略：以SiO₂模板化介孔碳为载体，通过协同锚定铋单原子（Bi-N_x）与氧化铋纳米颗粒（Bi₂O₃）构建多功能复合界面层（SiO₂/Bi-N_x/C-Bi₂O₃），实现锌沉积晶面取向的原位调控与界面稳定性的协同强化。该策略创新性地将“单原子催化效应”与“晶面工程调控”深度融合: Bi-N_x单原子位点通过降低锌成核能垒诱导均匀成核，Bi₂O₃纳米颗粒协同调控锌沿低能(002)晶面择优沉积，同时SiO₂的本征疏水性显著抑制水诱导副反应。密度泛函理论（DFT）揭示，界面处存在显著的电荷重分布与轨道杂化效应，显著增强锌原子吸附并降低成核能垒。基于此，SiO₂/Bi-N_x/C-Bi₂O₃@Zn负极在对称电池中展现出优异的无枝晶循环稳定性：在60 mV的低过电位下可稳定循环1000小时。尤为重要的是，采用该负极组装的液态锌空气电池在10 mA cm^-2的高电流密度下实现了长达2000小时的超长循环寿命，并输出高达396.3 mW cm^-2的峰值功率密度。本研究提出的一种稳健的界面设计策略，为推进高耐久性、高性能锌基储能技术的发展提供了新途径。

图1. (a) 电极表面有无SiO₂/Bi-N_x/C-Bi₂O₃时锌沉积行为的示意图；(b) SiO₂/Bi-N_x/C-Bi₂O₃的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) SiO₂/Bi-N_x/C-Bi₂O₃的透射电子显微镜（TEM）图像；(d) 对应的高分辨图像及(e) 能谱面分布图（EDS-mapping）；(f) SiO₂/Bi-N_x/C-Bi₂O₃的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像与(g) 对应的元素分布图。

图2. 不同电极组装的对称电池在(a) 1 mA cm?2/1 mAh cm?2与(b) 10 mA cm?2/1 mAh cm?2条件下的循环性能及选定周期的电压曲线放大图；(c) 10 mA cm?2/1 mAh cm?2条件下的电压-时间曲线；(d) 不同电极组装对称电池的倍率性能；(e) 与文献报道的循环可逆性对比。

图3. (a) 2.0 M ZnSO4电解液在裸锌与SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn表面的接触角；(b) 循环20次后裸锌与SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn电极的X射线衍射（XRD）图谱；(c) 裸锌与SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn电极的计时电流曲线；(d) 循环20次后裸锌与SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn的扫描电子显微镜（SEM）图像；(e) 10 mA cm?2下循环裸锌表面的激光共聚焦扫描显微镜图像；(f) 相同条件下SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn的对应图像；(g) 裸锌与SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn电极在10 mA cm?2锌沉积过程中的原位光学显微镜图像。

图4. (a) 水系锌空气电池（ZABs）结构示意图；(b) 裸锌与SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3改性锌阳极组装ZABs的开路电压（OCV）对比；(c) 电流密度为5~50 mA cm?2时的倍率性能测试；(d) 两种阳极ZABs的长时放电曲线；(e) 放电极化曲线与功率密度图；(f) 面积比电阻（ASR） 对比；(g) SiO2/Bi-Nx/C-Bi2O3@Zn阳极ZABs在10 mA cm?2下的循环稳定性数据；(h) 实际应用演示：该ZAB驱动电风扇的实物图。

本研究得到了科技部国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（2022YFE0138900）的支持。环境九球体育直播app官方版下载博士研究生代玲玉为论文第一作者，乔锦丽为通讯作者。