基于绿色腐蚀化学的梯度微结构锌阳极设计：同步实现废水修复与高性能储能

推荐：研究人员针对重金属废水污染治理与锌阳极性能提升的双重挑战，创新性地开发了EcoCorr-Zn策略。通过可控腐蚀反应同步实现Cd2+/Pb2+/Cu2+去除率>99%，并原位构建ZnO-Cd-碳(GC)梯度纳米片阵列。该阳极在2 mA cm?2下实现6,000小时超长循环，Zn@ZO-Cd-GC||NH4V4O10软包电池循环2,000次保持稳定，为环境修复与能源存储提供协同解决方案。

　　

随着新能源产业爆发式增长，锂锌等金属矿产开采加剧导致含镉(Cd²⁺)、铅(Pb²⁺)、铜(Cu²⁺)的冶炼废水污染问题日益严峻。传统化学沉淀法年处理成本高达10亿美元，且资源回收率低。与此同时，水性锌金属电池(AZMBs)虽具安全环保优势，却受限于锌阳极的枝晶生长、电解液腐蚀和析氢反应三大瓶颈。现有的人工功能层(AFL)设计多采用单一组分，难以协同解决界面动力学与稳定性问题，且制备工艺复杂、附着力差。

北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室的研究团队独辟蹊径，从绿色腐蚀化学角度出发，开发出EcoCorr-Zn协同策略。该研究通过锌箔功能化同时实现重金属废水净化与阳极改性，构建具有局部梯度特性的ZnO-Cd-碳(GC)多层纳米片阵列，相关成果发表在《eScience》上。研究人员采用三步法：首先通过阳离子腐蚀反应将Cd²⁺还原为金属Cd，随后阴离子腐蚀形成Zn₅(OH)₈Cl₂?H₂O(ZCH)纳米片，最后经明胶辅助低温热解获得梯度结构。结合分子动力学模拟、有限元分析和电化学测试等手段，系统评估了材料特性和电池性能。

结果与讨论

1. 梯度结构构建与表征
   腐蚀5分钟即可去除90% Cd²⁺，TOF-SIMS证实表面呈现C/Cd/ZnO/Zn四层梯度分布。HRTEM显示Cd纳米簇均匀分散于GC基质中，XRD显示ZnO(101)晶面与Zn(002)晶格匹配度最佳，为定向沉积奠定基础。

2. 电化学行为调控
   Zn@ZO-Cd-GC阳极展现52倍于裸锌的双层电容(1621.8 μF cm^?2)，脱溶剂活化能降低至33.26 kJ mol^?1，Zn²⁺迁移数提升至0.89。原位光学显微镜显示其沉积形貌均匀，无枝晶突起。

3. 理论机制阐释
   DFT计算揭示GC/Cd/ZnO三层结构结合能从表面到底部递增(-3.02至-1.15 eV)，形成锌亲和性梯度。分子动力学模拟显示该结构可使Zn²⁺配位水分子数从5.3降至3.8，显著抑制析氢。

4. 电池性能突破
   对称电池在20 mA cm^?2/10 mAh cm^?2下稳定运行400小时，Zn@ZO-Cd-GC||NH₄V₄O₁₀(NVO)软包电池在4 mg cm^?2载量下循环2,000次，成功驱动LED显示屏。

该研究开创性地将环境治理与能源材料设计相结合，不仅实现Cd²⁺的永久固定化（ICP检测显示电解液无Cd溶出），更通过梯度微结构设计同步解决AZMBs的动力学与稳定性难题。提出的酸处理回收方案可选择性溶解Cd实现资源循环，为重金属污染修复-能源存储协同系统提供了范式。这种"以废治弊"的策略，既降低了阳极改性的成本，又提升了废水处理的附加值，对推动绿色电化学发展具有双重意义。