水系锌金属电池由于其低成本、高安全性和环境友好等优点在储能领域显示了广阔的应用前景。然而，缓慢的Zn2+扩散和高的成核能垒导致无序的Zn枝晶生长和有害的副反应，严重阻碍了Zn金属负极(ZMAs)的商业化发展。在此，北京化工大学于乐团队将具有受限 Sn/TiO2 簇的中空介孔碳球蛋白石（HMCSST）作为空间调节锌沉积的主体。具体而言，由于有序分层多孔结构的毛细管效应可显著促进 ZMA 和电解质界面的快速沉积动力学。此外，封装的超细 Sn/TiO2 簇可作为亲锌位点，实现分层多孔蛋白石基质上均匀的 Zn 沉积。 基于此，HMCSST 主体有效降低了活化能，从而实现了 Zn 成核和生长的时空有序化。结果显示，稳定的 HMCSST-Zn 电极可确保在对称电池中以 37.5% 的放电深度实现稳定的 Zn 沉积/剥离，并具有超过 1300 小时的循环稳定性。此外，HMCSST-Zn||钒酸铵全电池在 10.0 A g−1 和低极化条件下表现出超过 5000 次循环的长寿命。该工作报告了将 HMCSST 组成的有序蛋白石框架作为稳定 ZMA 的亲锌主体。具体而言，HMCSST 的高度有序的分层多孔结构提供了强大的毛细管效应，可显着加速扩散动力学。此外，HMCSST 主体的 3D 空心球阵列具有足够的空隙空间，可以控制电场分布，以实现均匀的锌沉积/剥离。HMCSST 主体中封装的 Sn/TiO2 亲锌位点可以增强 Zn 原子的吸附并降低 HER 催化活性。因此，HMCSST 主体能够实现金属锌的时空有序沉积，抑制锌枝晶生长和副反应，同时表现出优异的电池性能。

其成果以题为“Spatial Confinement of Sn/TiO2 Nanoparticles in Hollow Mesoporous Carbon Spheres Opal for Stable Zn Metal Anodes”在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表。文章一作是课题组孙鹏宵博士，通讯作者是课题组于乐教授。

论文信息：P. X. Sun, Y. Zheng, X. Y. Zhang, H. Yu, Y. Guo, L. Yu*, Spatial Confinement of Sn/TiO2 Nanoparticles in Hollow Mesoporous Carbon Spheres Opal for Enhanced Diffusion Kinetics Towards Stable Zn Metal Anodes, Adv. Energy Mater. 14, 2304138 (2024). Link