人工森林景观格局对黄土高原丘陵地区多生物多样性的影响

《Journal of Environmental Management》：Effect of artificial forest landscape pattern on multi-biodiversity in hilly area of Loess Plateau

Zn基负极性能优化及CuSn合金相调控策略研究。采用活性屏等离子体（ASP）技术制备Cu/Sn合金修饰的3D碳纤维负极，通过调控合金比例优化了Cu6Sn5相的界面性能，有效抑制氢析出并提高锌离子电池循环稳定性（300.1 mAh g?1，2000次循环保持82.8%）。

　　近年来，随着对安全、高效且经济的电池材料需求日益增长，能源存储系统的研发取得了显著进展。在众多电池技术中，水系锌离子电池（Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs）因其高能量密度、良好的安全性和低成本而成为下一代储能系统的有力候选者。然而，锌金属负极在实际应用中仍面临诸多挑战，如枝晶形成、氢析出反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）和钝化现象，这些问题严重影响了电池的循环稳定性和可逆性。因此，开发高性能且稳定的锌金属负极材料对于提升AZIBs的整体性能至关重要。

为了解决这些问题，研究者们尝试了多种方法，其中构建三维（3D）宿主结构被广泛认为是一种有效的策略。三维碳毡（3D Carbon Felt, 3D CF）因其轻质、高导电性和结构韧性而受到关注，它能够在锌离子沉积过程中提供良好的支撑，有助于形成均匀的沉积层，从而减少枝晶的产生并提升电池的循环性能。然而，未改性的碳毡在锌金属沉积过程中表现出较差的锌亲和性（zincophilicity）和严重的氢析出反应，这些缺陷限制了其在实际应用中的可行性。

针对上述问题，金属涂层技术被引入以改善碳毡表面的性能。例如，铜（Cu）涂层可以增强碳毡的润湿性，而锡（Sn）涂层则有助于抑制氢析出反应。然而，CuSn合金的相变特性在调节这些性能方面具有关键作用，但目前对其研究仍不够深入。因此，研究者们致力于开发一种能够精确控制CuSn合金相组成的新技术，以实现更优的电化学性能。

本研究提出了一种新颖的活性屏等离子（Active Screen Plasma, ASP）技术，该技术利用独特的Cu/Sn线阵列，在3D碳毡表面沉积具有可调组成的CuSn层。与传统的表面合金沉积方法相比，如磁控溅射、电沉积和熔融技术，ASP技术在操作简便性、环境友好性和成本效益方面具有显著优势。此外，它还提供了更高的工艺灵活性，使研究人员能够更方便地调控目标材料，以获得不同化学组成的CuSn层。通过这种技术，研究人员成功制备了具有Cu?Sn?相的CuSn-32-CF负极材料，该材料表现出最佳的锌亲和性、增强的润湿性和显著的氢析出反应抑制能力。

实验结果表明，CuSn-32-CF负极在锌沉积过程中形成了均匀、致密且无枝晶的结构。这使得对称电池在0.5 mA cm?2和0.5 mAh cm?2的条件下能够稳定运行长达400小时。此外，将CuSn-32-CF负极与α-MnO?正极组装成全电池后，其表现出较高的比容量（在0.2 A g?1下为300.1 mAh g?1），并在2 A g?1的条件下经过2000次循环后仍能保持82.8%的初始容量。这些结果充分证明了CuSn合金层在提升AZIBs性能方面的潜力。

在研究过程中，研究人员通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）对CuSn-CF样品的相组成和化学组成进行了系统表征。XRD分析结果显示，不同Cu:Sn比例的样品表现出不同的相结构。例如，CuSn-14-CF样品中检测到了Sn和Cu?Sn?的衍射峰，而CuSn-32-CF样品中则主要表现出Cu?Sn?的衍射峰，CuSn-41-CF样品则主要为Cu?Sn相。这表明，通过调控Cu:Sn比例，可以实现对CuSn合金相的精确控制，从而优化其电化学性能。

进一步的电化学测试表明，CuSn-32-CF负极在锌沉积过程中表现出较低的Zn2?成核过电位（η?? = 21.1 mV）和接近0°的接触角，这些特性表明其具有良好的锌亲和性和润湿性。同时，氢析出反应被有效抑制，这使得锌沉积过程更加可控，减少了枝晶形成的风险。这些性能的提升直接提高了电池的循环稳定性和可逆性，使其在实际应用中更具竞争力。

此外，研究还探讨了不同Cu:Sn比例对电池性能的影响。例如，CuSn-41-CF负极虽然具有较高的Cu含量，但由于Sn含量较低，其氢析出反应抑制效果相对较弱，导致电池性能不如CuSn-32-CF。这表明，Cu和Sn的协同作用对于实现最佳性能至关重要。因此，精确调控CuSn合金的相组成和比例，是提升AZIBs性能的关键。

在材料制备方面，ASP技术提供了一种简便且高效的方法，使研究人员能够在不使用昂贵设备和有毒试剂的情况下，实现对CuSn合金层的可控沉积。这种方法不仅降低了生产成本，还提高了工艺的可重复性和可扩展性，为大规模生产高性能锌金属负极提供了新的思路。同时，ASP技术的环境友好性使其在绿色制造方面具有显著优势，符合当前可持续发展的趋势。

综上所述，本研究通过引入ASP技术，成功制备了具有优化性能的CuSn-32-CF负极材料，为AZIBs的发展提供了新的方向。该技术不仅能够有效抑制氢析出反应，还能提升锌亲和性和润湿性，从而改善锌沉积行为，减少枝晶形成，提高电池的循环稳定性。这些成果对于推动水系锌离子电池在实际应用中的发展具有重要意义，也为其他类型的电池负极材料研究提供了参考价值。