Chaotropic Anion‐Regulated Interfacial Desolvation Enables Ultrafast Aqueous Zn‐Ion Storage in TiN‐Integrated δ‐MnO 2 /MXene Heterostructure Anodes

材料科学 阳极 电解质 致潮剂 化学工程 法拉第效率 纳米技术 水溶液 储能 超级电容器 异质结 电池(电) 吸附 电化学 表面改性 阴极 超短脉冲 离子
作者
Inaam Ullah,Ayesha Irfan,Salamat Ali,Waqar ul Hasan,Haotian Hu,Caiyuan Xiong,Jinbo Ming,Chunrui Wang,Mai Li,Limin Wu,Renchao Che
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (34) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/adfm.202532175
摘要

ABSTRACT Aqueous zinc‐ion hybrid supercapacitors (AZI‐HSCs) offer a compelling sustainable energy storage platform, yet their development is constrained by incompatible electrode‐electrolyte dynamics. Sluggish anode kinetics and narrow electrolyte voltage windows fundamentally limit their performance. While δ‐MnO 2 offers high theoretical capacity as an anode, its practical deployment is hindered by poor conductivity, slow ion diffusion, and structural instability. Herein, an atomic‐scale charge‐modulated δ‐MnO 2 /MXene–TiN heterostructure anode synergized with a chaotropic ClO 4 − ‐modified electrolyte holistically overcomes these limitations. Nitrogen functionalization engineers conductive Ti–N scaffolds within MXene that generate built‐in electric field (BIEF) and modulate interlayer spacing, which synergistically couples with expanded ion channels of δ‐MnO 2 to enable strain‐free Zn 2+ diffusion and ultrafast charge transport. This anode architecture is integrated with a chaotropic ClO 4 − ‐modified electrolyte, where the anions preferentially adsorb onto the hydrophobic TiN domains. This synergy disrupts Zn 2+ solvation shells to slash the desolvation barrier and expands the operating window by 20%. The assembled full cell (δ‐MnO 2 /MXene–TiN//δ‐MnO 2 ) achieves a 2.0 V operating voltage, delivering a high energy density of 87.08 Wh kg −1 at 1000 W kg −1 and exceptional cycling stability with 85.8% capacity retention over 12,000 cycles. This work demonstrates how atomic‐scale electrode‐electrolyte co‐design transcends fundamental limitations in aqueous energy storage.
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