哈工大（深圳）邱华军团队《Nano Lett》：曲率诱导亲锌性！3D纳米管状N掺杂石墨烯实现超快无枝晶锌沉积

水系锌金属电池凭借其高安全性、低成本、环境友好和锌金属高理论容量（820 mAh g⁻¹）等优势，被视为最具潜力的大规模储能技术之一。然而，锌金属负极面临两大核心挑战，严重制约了其商业化进程：

1. 锌枝晶生长——锌沉积过程中，Zn²⁺倾向于在突出尖端优先沉积（“尖端效应”），导致枝晶不断生长，最终刺穿隔膜引发短路；
2. 副反应频发——水系电解液中锌负极表面发生析氢反应（HER）、腐蚀和钝化，导致库伦效率低下和容量快速衰减。

构建亲锌性（zincophilic）界面是引导Zn²⁺均匀成核、抑制枝晶生长的有效策略。然而，传统平面亲锌位点对Zn²⁺的调控能力有限，难以实现超快沉积速率下的无枝晶行为。如何在高电流密度、高面容量条件下实现锌的均匀致密沉积，仍是锌金属电池走向实用化的关键瓶颈。

本文，哈尔滨工业大学（深圳）邱华军副教授团队等在《Nano Letters》期刊发表名为“3D Nanotubular Nanoporous N-Doped Graphene with Curvature-Induced Zincophilicity for Ultrafast and Dendrite-Free Zn Deposition”的论文。该研究创新性地提出了”曲率诱导亲锌性（curvature-induced zincophilicity）”概念，利用3D纳米管状纳米孔N掺杂石墨烯的独特曲面拓扑结构，实现了超快、无枝晶的锌沉积。该策略的核心创新在于：

1. 3D纳米管状纳米孔结构——提供巨大的比表面积和丰富的Zn²⁺沉积位点，大幅降低局部电流密度；
2. 曲率诱导亲锌性——纳米管曲面上N掺杂位点与Zn²⁺的相互作用因曲面曲率而显著增强，实现了Zn²⁺的优先均匀吸附和成核；
3. N掺杂协同增强——吡啶N、吡咯N等活性氮物种进一步提升了石墨烯骨架的亲锌性和导电性；
4. 3D互联互通网络——促进Zn²⁺和电子的快速传输，消除浓度极化。

基于该3D纳米管状N掺杂石墨烯（3D-NNNG）修饰的锌负极，实现了超快沉积速率下的无枝晶锌沉积和超长循环稳定性，为高功率锌金属电池的负极设计提供了全新思路。

方案一、np-NG/Bi合成方法示意图

总而言之，该工作创新性地提出了”曲率诱导亲锌性（curvature-induced zincophilicity）”概念，利用3D纳米管状纳米孔N掺杂石墨烯的独特曲面拓扑结构，实现了超快、无枝晶的锌沉积。核心发现包括：

1. 曲率显著增强亲锌性——DFT计算证明，凸面曲率越大，Zn原子在N掺杂位点上的吸附能越负，电荷转移和轨道杂化越强；
2. 3D纳米管状网络实现均匀沉积——高比表面积降低局部电流密度，曲面N掺杂位点引导Zn²⁺均匀成核，互联互通孔隙促进离子/电子快速传输；
3. 超快沉积+超长循环——3D-NNNG/Zn对称电池在高电流密度和大面容量下保持稳定循环数千小时，全电池展现优异的倍率性能和长循环寿命；
4. “曲率工程”的普适性——该概念可拓展至Li、Na、K等其他金属负极体系，为金属负极界面设计提供了全新维度。

该工作为高功率锌金属电池的无枝晶负极设计提供了新范式，”曲率工程”作为表面/界面调控的新策略，在金属负极和电催化等领域具有广泛的应用前景。

文献：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01379