Choreographing Orbital Hybridization Cascades to Unleash Selective Proton Storage in Aqueous Zinc‐Ion Batteries

材料科学 质子 水溶液 离子 纳米技术 冶金 有机化学 物理 化学 量子力学
作者
H. J. Yang,Xiaoke Li,Shiyu Wang,Ruilong Liu,Feike Zhang,Guixi Wang,Jun Wang,Weikun Ren,Jingyu Wu,Kang Ji,Yingjie Ji,Zhijie Chen,Bing‐Jie Ni,Zhiyu Yang,Ningning Wu,Yi‐Ming Yan
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202513512
摘要

Abstract Protons (H + ) have emerged as crucial charge carriers alongside Zn 2+ ions in aqueous zinc‐ion batteries (AZIBs). Compared to Zn 2+ , H + storage typically exhibits more favorable thermodynamics and faster reaction kinetics. However, the co‐involvement of H + and Zn 2+ in the electrochemical processes leads to intertwined storage behaviors, posing a significant challenge to achieving selective ion regulation. Here, a cascaded orbital‐oriented hybridization strategy is introduced that selectively enhances H + storage in MnO 2 while preserving Zn 2+ intercalation. By incorporating 1,3‐Propanediamine (DP), an organic–inorganic hybrid framework is constructed wherein the p x and p z orbitals of N in DP engage in antibonding σ‐hybridization with Mn d x 2 ‐y 2 orbitals near the Fermi level. This interaction upshifts the energy of the Mn d x 2 ‐y 2 states, enabling subsequent hybridization with the O p y orbital near the Fermi level within the MnO 2 lattice. Combined experimental analyses and density functional theory (DFT) calculations reveal that this orbital reconstruction selectively accelerates H + storage kinetics with minimal perturbation to Zn 2+ insertion pathways. The resulting DP–MnO 2 composite delivers a high reversible capacity of 357 mAh g −1 at 0.1 A g −1 and maintains 142 mAh g −1 at 5 A g −1 . These findings enable orbital‐level engineering of electrodes, providing an approach for ion‐selective storage in aqueous multivalent batteries.
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