利用双功能α-阿比丁提升锌空气电池的性能,在碱性介质中实现更先进的锌保护:结合实验与计算方法的机制研究

《Journal of Energy Storage》:Enhancing zinc-air battery performance with dual-function α-arbutin for advanced zinc protection in alkaline media: Integrated experimental–computational mechanism

【字体: 时间:2026年05月10日 来源:Journal of Energy Storage 9.8

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  Mohamed G. Abouelenein|Marwa M. Abdeen|Mahmoud M. Al ashker|Adel A. Ezz|Mohammed T. Abdel-Aal|Omnia A.A. El-Shamy|Q. Mohsen|M.A. Deyab埃及谢宾埃尔

  
Mohamed G. Abouelenein|Marwa M. Abdeen|Mahmoud M. Al ashker|Adel A. Ezz|Mohammed T. Abdel-Aal|Omnia A.A. El-Shamy|Q. Mohsen|M.A. Deyab
埃及谢宾埃尔科姆梅努菲亚大学理学院化学系

摘要

我们首次证明α-阿尔布斯汀(α-arbutin)是一种在浓碱性电解质中具有高效且可持续抑制锌腐蚀效果的抑制剂。其双功能结构结合了一个能提高溶解度和促进界面组装的葡萄糖单元,以及一个能够牢固吸附在锌表面的酚基片段,从而形成一层紧密的保护膜。在6 M KOH溶液中进行的重量法和电化学测试表明,α-阿尔布斯汀在140 ppm浓度下可抑制96.5%的锌腐蚀;极化和阻抗数据进一步证实了它同时抑制了阳极溶解和阴极析氢反应。Langmuir型吸附试验及ΔGads(约为?33.8 kJ/mol)结果表明发生了自发的物理吸附与化学吸附协同作用,这与SEM/EDX、FT-IR和XPS观察到的膜形成结果一致。密度泛函计算确定了羟基和酚基位点是主要的作用位点,支持了实验推断的结合机制。除了抑制腐蚀外,α-阿尔布斯汀还能提升锌空气电池的性能,改善在实际电流负荷下的放电稳定性和循环耐久性。综上所述,α-阿尔布斯汀是一种兼具绿色防腐性能和提升碱性锌能源系统性能的双功能添加剂。

引言

锌是一种技术上不可或缺的金属,因其低成本和耐腐蚀性而备受重视[1],同时它在电镀[2]、电化学储能[3]和工业制造[4]中可作为牺牲阳极。然而,在浓碱性电解质中,锌会因阳极溶解而加速腐蚀,产生可溶性锌酸盐,从而破坏电极稳定性并大幅缩短其使用寿命[5],[6]。这种降解现象在电化学和高温环境下的工业系统中尤为严重,因为持续的界面不稳定性会限制设备可靠性[7],[8]。
在碱性电池中,锌的腐蚀与寄生氢气的产生密切相关,这会导致气体积聚、内部压力增加、电解液泄漏以及电池提前失效[9],[10]。因此,要确保锌基能源系统在碱性条件下的安全、稳定放电和循环寿命,必须具备优异的耐腐蚀性[11],[12]。
传统的表面保护方法(如金属涂层和牺牲合金层)只能提供部分防护,并且经常受到环境或耐久性的限制[13],[14]。相比之下,化学抑制剂提供了一种可调、经济且环境友好的解决方案[15],[16],[17]。有机抑制剂因其能够吸附在金属-溶液界面并形成紧密的屏障膜而特别有吸引力[18];其中的电子给予体原子(如O、N和S)能够与金属表面形成强结合,从而增强电荷转移阻力并提升抑制效率[19],[20]。
随着对可持续材料的日益重视,近期研究趋势转向了从天然或可生物降解来源中提取的绿色抑制剂[21],[22]。特别是基于碳水化合物的化合物,由于其多个羟基基团,能够促进表面吸附和氢键形成,在酸碱环境中表现出良好的抑制效果[23],[24]。
在此背景下,α-阿尔布斯汀作为一种天然存在的糖基氢醌化合物,被证实是一种兼具双重功能的材料:既能有效保护锌免受腐蚀,又能提升锌空气电池的性能。其独特的分子结构结合了具有强吸附能力的酚基团和增强水溶性与分散性的葡萄糖单元(见图S1)。据我们所知,这是首次研究α-阿尔布斯汀在碱性环境中的防腐作用,证明了它作为一种可持续、多功能保护添加剂的潜力。选择像α-阿尔布斯汀这样的有机电解质添加剂相比传统锌改性方法具有诸多优势:传统改性与铅、镉或汞等有毒重金属相关,而α-阿尔布斯汀是一种生物相容、无毒的有机分子,广泛用于个人护理产品,是电池稳定性的“绿色”替代方案。
尽管已经做出了很多努力来减轻锌的腐蚀问题,但现有解决方案通常涉及有毒重金属或复杂的制造过程。本文的独特之处在于明确指出了α-阿尔布斯汀作为一种高效、“双重模式”抑制剂的身份:它既能通过酚基片段实现化学吸附,又能通过糖苷基团实现侧向稳定。利用这种协同的双重结合机制,我们开发出了一种高效且环保的方法来提升碱性锌基能源系统的性能和稳定性。
因此,本研究结合实验和计算方法,揭示了α-阿尔布斯汀在碱性锌系统中的先进保护作用和性能提升效果。通过重量损失测量、电位动态极化和电化学阻抗谱分析了其在6.0 M KOH溶液中的抑制行为;表面形貌和界面化学性质通过SEM、EDX、FTIR和XPS进行了表征。锌空气电池放电测试进一步证实了α-阿尔布斯汀显著改善了阳极利用率和循环稳定性。补充的密度泛函计算(DFT)解析了α-阿尔布斯汀与锌相互作用时的电子结构、前沿轨道和吸附位点。

节选内容

材料与方法

分析级氢氧化钾(KOH,Sigma-Aldrich,美国)和α-阿尔布斯汀(≥98%,Merck,德国)均按原样使用。所有溶液均使用超纯水(18.2 MΩ·cm,Millipore)配制以防止污染。
重量法测试使用了尺寸为2厘米×3厘米×0.1厘米、锌含量98.2%、氧含量1.8%的矩形锌试样;电化学测量则使用了表面积为1.0平方厘米的圆柱形锌棒。使用前,试样依次用180–1200粒度的磨料进行抛光。

红外光谱分析

傅里叶变换红外光谱(FTIR)用于表征纯α-阿尔布斯汀的官能团,并分析锌在碱性介质中吸附到其表面后发生的化学变化(见图1)。纯α-阿尔布斯汀的光谱显示了几处特征性谱带:其中3226厘米?1处的宽谱带对应于脂肪族(醇类)羟基的single bondH键伸缩振动。该谱带与

结论

本研究首次证明,α-阿尔布斯汀这种天然存在的糖基酚类化合物是一种在碱性环境中高效且可持续的锌腐蚀抑制剂。通过结合促进水溶性的糖基部分和确保强表面亲和力的酚基部分,α-阿尔布斯汀实现了稳定性和吸附强度的显著协同效应。电化学分析、重量评估和先进的表面诊断技术一致体现了这一效果。

CRediT作者贡献声明

Mohamed G. Abouelenein: 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件应用、资源管理、项目实施、方法论设计、实验设计、资金申请、数据分析及概念框架构建。Marwa M. Abdeen: 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件应用、资源管理、项目实施、方法论设计、实验设计、资金申请、数据分析

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
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