Accelerating Ion Desolvation via Bioinspired Ion Channel Design in Nonconcentrated Aqueous Electrolytes

化学 离子 水溶液 电解质 离子通道 计算化学 化学物理 物理化学 有机化学 生物化学 电极 受体
作者
Jiangbin Deng,Gang Xue,Chen Li,Shuang Zhao,Yu Zheng,Yuting He,Ruduan Yuan,Kaixin Wang,Tangming Mo,Yuxuan Xiang,Yu Chen,Yang Geng,Luda Wang,Guang Feng,Xu Hou,Meng Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15443
摘要

In aqueous-based electrochemical energy storage devices, uncontrolled hydrolysis of water at the electrochemical interfaces limits the application of such aqueous batteries or supercapacitors in business. The "water-in-salt" design is a valid strategy to broaden the electrochemical stability window in aqueous electrolytes, but drawbacks such as high manufacturing cost, high electrolyte viscosity, etc., also hinder its development. Here, inspired by biological ion channels in cell membranes, we propose an effective approach to engineer the electrode surface, inducing the desolvation of hydrated ions at the electrochemical interface and inhibiting water decomposition in nonconcentrated electrolytes. The biological engineering strategy enables the induction of controlled desolvation and accelerates the transportation of hydrated ions, e.g., potassium. The subnanometer design (0.8 nm) forces the hydrated potassium ions to shed their solvation shell with a hydration number of only 0.3, while the electrostatic interactions between the pore groups and the potassium ions facilitate their transport. The Zn||Zn cells demonstrate a stable cycling lifespan of over 1000 h at 1 mA cm-2/10 mAh cm-2. This work sheds new light on regulating the electrochemical interfaces in low-concentration aqueous electrolytes for designing aqueous-based energy storage devices.
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