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亲锌氢键有机框架实现无枝晶锌负极

摘要
绍兴大学刘天存老师与挪威Stavanger大学Zhixin Yu老师团队合作在Chem. Commun. DOI: 10.1039/d6cc03954e中报道了一种亲锌HOF包覆碳布三维骨架策略，用于实现稳定的锌金属负极。HOF层通过亲锌官能团改善亲水性、电解液浸润及锌离子均匀分散，抑制枝晶形成并降低成核势垒；致密HOF覆盖层迫使锌在层间间隙内均匀生长，同时保护沉积锌免受电解液腐蚀。该电极在15 mA cm⁻²下实现99%超高库伦效率，1 mA cm⁻²下循环寿命超过2000 h，全电池性能优异。

研究背景
1. 行业问题：
水系锌金属电池（ZMBs）具有高理论容量（820 mAh g⁻¹）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）和丰富储量等优势，但锌负极存在固有电化学不稳定性，不均匀电场分布和离子通量导致枝晶大量生长，产生"死锌"并刺穿隔膜造成短路；同时析氢反应和副产物破坏电极-电解液界面，导致容量衰减。
2. 现有方案：
三维多孔集流体（铜泡沫、镍泡沫、3D MXene等）可提供高比表面积、缓解局部电流密度，但存在机械强度不足、金属集流体腐蚀和合金化等问题；碳基材料导电性好但亲锌性差，碳布（CC）虽兼具柔性和导电性，但其疏锌表面阻碍均匀锌沉积。
3. 本文创新：
提出在碳布上原位快速组装HOFs层的策略，利用HOFs的纳米通道和亲锌/亲水官能团实现双重协同调控——均匀化Zn²⁺分布并限制锌在层间间隙内垂直生长，同时保护沉积锌免受腐蚀，从根本上解决碳布疏锌性导致的枝晶问题。

实验部分
1. CC@HOFs制备：
采用快速组装策略，在碳布表面原位生长HOFs层。反应过程简便，HOFs均匀覆盖碳布纤维表面，形成垂直平面堆叠形貌。
2. 电化学性能测试：
CC@HOFs在15 mA cm⁻²下库伦效率达99%，1 mA cm⁻²下循环寿命超过2000 h，全电池性能优异，远优于纯碳布负极。
3. 对比实验：
纯CC因疏锌表面导致随机成核和不均匀沉积，产生枝晶和死锌，容量快速衰减；CC@HOFs则实现均匀致密的锌沉积，循环稳定性大幅提升。

分析测试
1. SEM表征：
原始碳布由大量排列整齐的光滑碳纤维组成；CC@HOFs表面呈现均匀的垂直平面堆叠形貌，证实HOFs成功负载。
2. EDS分析：
CC@HOFs中C、N、O元素均匀分布，证实HOFs层覆盖均匀。
3. XRD分析：
HOFs在10.6°、18.6°、21.7°和27.8°处出现明显特征峰，表明其具有优异结晶度，与文献报道一致。
4. 接触角测试：
CC@HOFs表现出明显优于纯碳布的亲水性，证实HOFs层改善了电解液浸润性。

机理分析
1. 亲锌调控机理：
HOFs层中丰富的亲锌和亲水基团吸引Zn²⁺并均匀化离子分布，防止局部聚集，降低成核势垒。
2. 空间限域机理：
高密度锚定的HOFs将锌成核限制在基底表面，促进锌在层间间隙内垂直生长；非导电功能层确保电子在整体基底上均匀分布，防止锌优先沉积在骨架顶部。
3. 保护机理：
HOFs片层保护新沉积锌免受电解液腐蚀和析氢影响，促进溶剂化鞘脱除并降低活化能，从而实现超长循环寿命和高库伦效率。

总结
本文通过在碳布上原位组装亲锌HOFs层，实现了无枝晶锌负极的稳定运行。HOFs层兼具亲锌调控、空间限域和腐蚀保护三重功能，使CC@HOFs在高电流密度下仍保持99%库伦效率和超2000 h循环寿命，为水系锌金属电池的实用化提供了有效的界面工程策略。

文章标题：Zincophilic hydrogen-bonded organic frameworks enable dendrite-free zinc anodes
作者：Ronghan Jiang; Tiancun Liu; Song Lu; Yi Ding; Yaling Ji; Xinglin Luo; Anyi Lyu; Xusheng Wang; Min Guo; Zhixin Yu
DOI：10.1039/d6cc03954e
文章链接：https://doi.org/10.1039/d6cc03954e

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绍兴大学刘天存与斯塔万格大学Zhixin Yu团队在Chem. Commun.中报道了在碳布上原位组装亲锌HOFs层的策略，通过亲锌基团均匀化Zn²⁺分布、限域锌在层间垂直生长并保护沉积锌免受腐蚀，实现99%库伦效率和超2000 h循环寿命，为无枝晶锌负极提供新方案。