普鲁士蓝界面活化增强MnO2正极H+存储：水系锌离子电池性能突破

为解决水系锌离子电池MnO2正极的Mn溶解和动力学迟缓问题，研究人员通过原位合成普鲁士蓝（PB）界面，并利用放电活化引入更多结构水分子。该设计实现了Grotthuss质子传导，显著提升H+存储能力，使正极在0.2 A g-1下容量达343 mAh g-1，2000次循环后容量保持率提升至80.5%，为高性能锌离子电池开发提供新思路。

　　

研究背景与意义
水系锌离子电池因其高安全性和低成本成为储能领域的研究热点，但MnO₂正极面临Mn溶解和Zn²⁺扩散动力学的双重挑战。传统策略虽能缓解Mn流失，却难以提升反应速率。近年来，H⁺/Zn²⁺共嵌入机制被证实可加速电荷传输，而结构水诱导的Grotthuss质子传导（通过氢键网络实现超快质子跳跃）成为关键突破口。中国的研究团队创新性地将普鲁士蓝（PB）这一质子导体引入MnO₂界面，通过放电活化构建富水结构，同步解决Mn稳定性和动力学问题，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

关键技术方法
研究采用电化学沉积法在MnO₂表面原位构建PB界面，通过恒电压模式在含Fe³⁺和[Fe(CN)₆]^3-的电解液中完成合成。活化过程中，利用H⁺和Zn²⁺的不可逆嵌入引入结构水并稳定Fe-N键，结合X射线衍射（XRD）和电化学测试分析界面演化机制。

研究结果

1. 材料设计与表征
   PB界面经活化后由立方晶系转变为非晶态，红外光谱证实结构水含量增加至14.7%，形成连续氢键网络。

2. 电化学性能
   活化PB界面使H⁺贡献率从38%提升至89%，正极在20 A g^-1下仍保持91 mAh g^-1容量，远超未改性样品（27 mAh g^-1）。

3. 机理验证
   同步辐射表明Zn²⁺不可逆嵌入强化Fe-N键，而准弹性中子散射证实界面水分子振动频率降低，为Grotthuss传导提供直接证据。

结论与意义
该研究通过PB界面工程实现了MnO₂正极的“质子化转型”，其创新性体现在：①首次利用PB的质子传导特性优化MnO₂界面；②揭示活化过程中H⁺/Zn²⁺协同稳定机制；③将循环寿命延长至2000次以上。这项工作为开发高功率、长寿命锌离子电池提供了普适性界面设计范式，相关策略可拓展至其他多价离子存储体系。