高结晶度氢键有机框架材料（HOF-DAT）作为锌金属负极保护层实现稳定水系锌离子电池

　　针对水系锌离子电池（AZIBs）中锌负极存在的枝晶生长和副反应问题，研究人员首次设计了一种高结晶度氢键有机框架（HOF-DAT）作为保护涂层。该材料通过氢键网络和极性基团阻隔自由水接触锌负极，促进Zn2+ 脱溶剂化，显著抑制副反应；其有序多孔结构引导Zn2+ 均匀沉积，使对称电池实现780小时稳定循环，全电池在1 A g?1 下循环200次后仍保持248 mAh g?1 的可逆容量，为AZIBs界面工程提供了新思路。

　　

研究背景与意义

水系锌离子电池（AZIBs）因其安全性高、成本低廉和环境友好等优势，成为储能领域的研究热点。然而，锌负极面临两大难题：一是锌枝晶的不可控生长可能刺穿隔膜导致电池短路；二是界面副反应（如析氢反应和钝化产物生成）会降低库仑效率并缩短电池寿命。尽管通过电解质优化、隔膜改性等手段有所改善，但构建人工保护涂层因其能同时调控Zn²⁺
传输和隔离电解质的特性，成为最具潜力的解决方案之一。

氢键有机框架（Hydrogen-bonded organic frameworks, HOFs）是一类由氢键连接的多孔晶体材料，具有高结晶性、可调控的孔道结构和丰富的极性位点。然而，HOFs在AZIBs中作为负极保护层的研究尚未见报道。吉林大学的研究团队首次将高结晶性HOF-DAT材料应用于锌负极保护，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

关键技术方法

研究通过以下技术展开：1）以二氨基三唑（DAT）和1,4,5,8-萘四甲酸二酐（NTCDA）为前驱体，通过缩合反应合成HOF-DAT；2）利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证材料结构；3）结合密度泛函理论（DFT）计算分析Zn²⁺
吸附能；4）通过扫描电镜（SEM）观察锌沉积形貌；5）组装对称电池和全电池（以NHVO为正极）评估电化学性能。

研究结果

材料合成与表征

HOF-DAT通过DAT与NTCDA的缩合反应形成，其氢键网络和π-π堆积作用赋予材料高稳定性。XRD显示其结晶度优于传统聚合物，FTIR证实了酰亚胺键的形成（图1a）。

电化学性能

HOF-DAT@Zn对称电池在0.25 mA cm^?2
下循环780小时仍保持稳定，极化电压仅为传统Zn负极的1/3。全电池在1 A g^?1
下初始放电容量达355.5 mAh g^?1
，200次循环后容量保持率70%（图2c）。

机理分析

DFT计算表明HOF-DAT的N/O位点对Zn²⁺
吸附能（?1.98 eV）显著高于Zn(002)晶面（?0.42 eV），引导Zn²⁺
均匀成核。原位拉曼光谱证实涂层有效抑制了Zn²⁺
-H₂
O配位（图3d）。

结论与展望

该研究首次将高结晶性HOF-DAT用于锌负极保护，其氢键网络和有序孔道实现了Zn²⁺
快速传输与均匀沉积，同时阻隔了副反应。这一策略为AZIBs界面设计提供了新方向，未来可通过调控HOFs的官能团进一步优化性能。研究得到吉林省科技厅项目（20230508057RC）支持，作者声明无利益冲突。