H218O-H216O 同位素界面设计：高能水系质子电池性能提升的创新密码

水系电池在现代社会意义重大，却因电极 - 电解质界面不稳定、容量衰减快受限。研究人员开展 H218O-H216O 同位素界面设计研究，让锰基普鲁士蓝阴极在强酸中循环 10000 次，提升水系电池性能，为储能领域带来新方向。

　　可充电水系电池（Rechargeable aqueous batteries）凭借其安全、低成本和环保的特性，在现代社会中占据重要地位。然而，快速的容量衰减问题，尤其是在使用腐蚀性电解质（如铅酸、镍氢和水系质子电池（aqueous proton batteries，APB））的系统中，严重阻碍了它们的广泛应用。这一难题的根源在于水介导的破坏性反应，这些反应持续破坏电极 - 电解质界面的稳定性。

同位素原子之间的核子数和核自旋差异，会引发独特的质量依赖和核主导性质，在同位素边界产生新的界面化学现象。在此，研究提出一种 H₂¹⁸O-H₂¹⁶O 同位素界面设计，用于调节水系电池中的界面化学。通过在电极 - 电解质边界对¹⁶O - ¹⁸O 同位素界面进行空间划分，将腐蚀性反应引导至形成保护性的界面层。这一策略使得传统上不耐酸的锰基普鲁士蓝阴极，能够在强酸性溶液中实现 10000 次循环。该研究成果将同位素科学与电化学联系起来，为可持续储能提供了合作解决方案。更广泛地说，同位素界面设计为催化、腐蚀科学和生物医学系统中的界面过程调控建立了通用方法，为先进功能器件开启了界面化学控制的大门。

电极 - 电解质界面的稳定性对于电池化学体系的长期运行至关重要，特别是在使用腐蚀性酸性或碱性水系电解质的恶劣条件下。研究设计了 H₂¹⁸O-H₂¹⁶O 同位素界面，以促进保护性电极 - 电解质界面层的形成。这一设计在基于使用强酸性水系电解质的水系质子电池（APB）的模型研究中得到验证。该设计让通常被认为不耐酸的锰铁普鲁士蓝类似物（MnFe-PBA），能够在腐蚀性的 H₃PO₄电解质中稳定循环超过 10000 次。这种耐酸性归因于同位素界面控制的原位形成的包含氢键框架的界面层。搭配高能的 MnFe-PBA 阴极，全电池实现了高电压平台（约 1.2V）和能量密度（77.6 Wh kg^?1），均超过此前报道的所有水系质子电池（APB）。研究成果为提升在极端腐蚀性条件下的水系电池性能提供了新方法，推动了同位素科学与电池技术的融合。