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。