受细胞膜运输机制启发的层间氢键网络调控方法，用于实现快速且稳定的铵离子储存

《Journal of Energy Chemistry》：Cytomembrane-transportation-inspired regulation of interlayer hydrogen-bond networks for fast and stable ammonium-ion storage

　　

刘艳艳|谭立|张逸夫|叶柯|顾启琳|孟长功|陈强|潘正辉

摘要

尽管水基铵离子电池是一种具有低成本和高安全性的有前景的能量储存系统，但由于NH₄⁺与宿主结构中高电负性原子之间的强氢键作用，导致其扩散动力学较慢，尤其是在以MnO₂为代表的层状金属氧化物中，这类材料含有丰富的晶格氧（O）。受细胞膜运输机制的启发，我们在宿主框架与载流子之间引入了一种仿生“壁”，从而构建了顺畅的扩散通道，以实现NH₄⁺的快速稳定插入/提取。通过施加1.2 V的高压扫描，氢离子（H⁺会在NH₄⁺之前优先插层进入MnO₂的层间区域，然后与晶格氧位点形成弱氢键网络，从而大幅改善NH₄⁺的层间扩散动力学。分子动力学模拟首次表明，H⁺的优先插层可以有效降低NH₄⁺的层间扩散能量障碍，从而促进其在MnO₂中的稳定插入/提取。随后，体外表征和理论计算共同证实，扩散动力学的改善归因于弱氢键网络降低了NH₄⁺的扩散能量障碍。因此，该电池在0.2 A g^?1的电流密度下可实现145 mAh g^?1的容量，并在4 A g^?1的电流密度下仍保持58 mAh g^?1