近日，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院袁占輝教授團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德國應(yīng)用化學(xué)）在線發(fā)表了題為“Biomass-Derived Ion-Selective Binder Modulates Zn²⁺ Solvation Enabling High-Capacity Cathodes in Aqueous Zinc Batteries”（生物質(zhì)衍生離子選擇性粘結(jié)劑調(diào)控Zn²⁺溶劑化結(jié)構(gòu)構(gòu)建水系鋅電池高容量正極）的研究論文。上述研究進(jìn)展是袁占輝教授團(tuán)隊(duì)在生物質(zhì)水系電池材料基礎(chǔ)研究方面的重要突破。此前，袁占輝教授團(tuán)隊(duì)成員在生物質(zhì)水系鋅電池隔膜設(shè)計(jì)（Energy Environ. Sci., 2025, 18, 5457;Mater. Horiz., 2025, 12, 6252;Adv. Compos. Hybrid. Mater., 2025,8, 217; 中國造紙學(xué)報(bào), 2025, 40，151-160）、鋅負(fù)極保護(hù)涂層（Chem. Eng. J., 2026,527,172018）和正極材料（Nano Lett., 2025,https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05008）設(shè)計(jì)方面取得了系列進(jìn)展?；谏鲜龉ぷ?，本研究提出了一種新型ι-卡拉膠（CAG）粘結(jié)劑用于二次水系金屬電池電極材料的制備，通過模擬細(xì)胞離子通道功能，實(shí)現(xiàn)選擇性離子配位和溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控，顯著提高電池容量。

二次水系金屬電池因其安全、低成本和環(huán)境友好引起了廣泛的關(guān)注。聚偏氟乙烯（PVDF）是水系電池正極材料制備過程的常用粘結(jié)劑。然而，PVDF依靠弱范德華力來粘合活性材料和集流體，導(dǎo)致其在循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足。其次，在水系電解質(zhì)環(huán)境中，PVDF的疏水性阻礙了電解液的有效滲透以及與正極材料的接觸，降低了正極活性材料的利用率和電池容量。此外，PVDF粘結(jié)劑需要使用有機(jī)溶劑（N-甲基吡咯烷酮）才能與活性物種和導(dǎo)電劑均勻混合，這給水系電池正極制備過程的環(huán)保、安全和成本帶來了額外的挑戰(zhàn)。因此，粘結(jié)劑對(duì)于水系電池的性能和加工成本有重要的影響。

本研究提出了一種ι-卡拉膠（CAG）生物質(zhì)粘結(jié)劑，它能夠模擬生物細(xì)胞離子通道的功能，實(shí)現(xiàn)選擇性離子配位和動(dòng)態(tài)溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控。通過建立雙離子選擇性配位位點(diǎn)，卡拉膠結(jié)構(gòu)單元中的親鋅-OSO₃^-基團(tuán)和親水性-OH基團(tuán)分別形成Zn²⁺-OSO₃^-和H₂O-OH相互作用，降低Zn²⁺的脫溶能壘，促進(jìn)水合離子脫溶過程，構(gòu)筑富Zn²⁺界面。因此，采用CAG@Mn_0.15V₂O₅·nH₂O正極的電池在0.6 A g^-1的電流密度下實(shí)現(xiàn)了421 mAh g^-1的超高容量，相比基于PVDF粘結(jié)劑的電池（239 mAh g^-1）高出76%。這種可在水溶劑中加工的粘結(jié)劑在各種正極材料（如 MnO₂、V₂O₅和有機(jī)正極材料）制備過程中均表現(xiàn)出優(yōu)異的普適性，為高性能二次水系金屬電池電極的開發(fā)提供了一種綠色、安全和低成本的粘結(jié)劑。本研究提同時(shí)出了一種仿生粘合劑設(shè)計(jì)范式，其中雙配位結(jié)構(gòu)模擬了生物離子傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Zn²⁺溶劑化結(jié)構(gòu)和離子輸運(yùn)的精確調(diào)控。

圖1.卡拉膠粘結(jié)的設(shè)計(jì)原理與PVDF粘結(jié)劑的比較。

福建農(nóng)林大學(xué)為論文第一完成與通訊單位，材料工程學(xué)院鄭加賢博士為第一作者，袁占輝教授、林祥豐副教授、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)張超群教授、東華大學(xué)劉書德研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（52302223, 52572210, 32222057），福建省青年科技人員育成項(xiàng)目（2025350305），福建省自然科學(xué)基金（2025J01574）和福建農(nóng)林大學(xué)儀器分析中心的支持。

論文鏈接：doi.org/10.1002/anie.202525803

作者簡介：

袁占輝，福建農(nóng)林大學(xué)材料學(xué)院教授、博導(dǎo)，先進(jìn)催化及功能材料校級(jí)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。曾獲吉林大學(xué)化學(xué)系本科和碩士學(xué)位，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)博士學(xué)位；入選福建省高層次人才B類、江蘇省“西楚雄英”計(jì)劃等。主要從事先進(jìn)二維材料的制備及其在光電、光催、光熱、海水淡化、電源、超級(jí)電容器和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用研究；片狀無機(jī)晶體材料在效果顏料的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化研究；天然高分子材料在生物仿生、智能、膠粘劑等領(lǐng)域的應(yīng)用研究；無機(jī)粉體材料、化學(xué)表面處理及天然膠粘劑的產(chǎn)業(yè)化研究。在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Acc. Chem. Res.、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Energy等國際高水平SCI學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文160余篇，其中約70篇IF>10、15篇IF>20，13篇入選ESI高被引論文。兼任Scientific Reprots、Discover Sustainability、ES Food & Agroforestry、Academia Catalysis、Polymers等學(xué)術(shù)期刊的編委。

鄭加賢，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院講師、先進(jìn)催化及功能材料校級(jí)團(tuán)隊(duì)骨干。入選福建省高層次人才C類。2024年博士畢業(yè)于廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，主要從事水系電池材料、光電催化和海水淡化研究，在Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett.(2), Nano Lett.(3), ACS Nano,ACS Cata.,Adv. Energy Mater.(2), Adv. Funct. Mater.,Adv.Sci.(2), Chem. Eng. J.(4), Small(2), Mater. Horiz.(2)等知名期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，其中ESI高被引論文5篇，熱點(diǎn)論文2篇。擔(dān)任The innovation materials, Engineered science和ES Food & Agroforestry期刊的青年編委。

林祥豐，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院副教授、先進(jìn)催化及功能材料校級(jí)團(tuán)隊(duì)骨干。2022年于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所取得博士學(xué)位。入選福建省高層次人才C類。主要研究方向?yàn)槟举|(zhì)素光催化高值轉(zhuǎn)化、有機(jī)/高分子功能材料的綠色合成及其在能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Eng. J.、ACS Catal.等國際高水平SCI期刊發(fā)表論文20余篇。