论文标题：Atomic-layer-deposited hydrophobic-zincophilic Pd/g-C₃N₄ coating for ultra-stable aqueous Zn batteries

期刊：ENGINEERING Energy

作者：Ziying Shi, Huimin Sang, Shaobo Li, Feng Yuan, Xianghong Liu, Jun Zhang 

发表时间：10 Apr 2026

DOI：10.1007/s11708-026-1061-5

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水系锌离子电池被视为后锂时代大规模储能的理想选择，但锌负极的腐蚀、析氢、枝晶生长三大难题，严重制约其寿命与安全性。近日，ENGINEERING Energy发表青岛大学袁峰、张军团队成果：采用原子层沉积（ALD）技术，成功构筑疏水-亲锌双功能 Pd/g_-C₃N₄涂层，精准调控锌沉积行为，实现水系锌电池超稳定运行。

论文导读

水系锌离子电池（AZIBs）凭借高安全、低成本、高理论容量，在储能领域极具潜力。然而，锌负极在水系电解液中易发生化学腐蚀、析氢反应（HER）、枝晶不可控生长，导致电池库仑效率低、循环寿命短、易短路失效。针对这一行业痛点，研究团队通过原子层沉积（ALD）技术，为锌负极开发了一种创新的“疏水-亲锌”Pd/g-C₃N₄复合涂层，从根源上抑制副反应、引导均匀锌沉积，大幅提升电池稳定性与寿命。

论文亮点

1. ALD 精准构筑：实现 Pd 原子级均匀分散，稳定 g-C₃N₄界面结构，精准调控锌沉积行为。

2. 疏水抑副反应：涂层疏水表面显著减少水接触，抑制腐蚀、析氢与枝晶生成。

3. 亲锌易成核：成核过电位由裸锌 182 mV 降至79 mV，沉积更均匀。

4. 超长循环：对称电池 1 mA/cm² 下稳定循环＞2500 h。

5. 全电池硬核：2 A/g 下循环5000 圈，容量保持75%，库仑效率99.56%

6. 低自放电：满电静置48 h，库仑效率仍达98.3%

论文概要

1、设计原理

g-C₃N₄：二维层状多孔结构，作为离子通量调控层，提供疏水界面，阻隔自由水，抑制副反应

Pd 纳米颗粒：作为亲锌成核位点，降低锌成核能垒，提升表面导电性，实现均匀锌沉积

原子层沉积 ALD：自限反应，实现金属原子级均匀负载，解决 g-C₃N₄表面低反应性难题

2、结构与形貌表征

XRD 证实 Pd 负载后 g-C₃N₄晶相保持完整；SEM/TEM 显示片层多孔形貌；HRTEM 测得晶面间距0.224 nm的Pd (111)晶面；EDS 面扫证实 Pd 均匀分布。

图2 Pd/g-C₃N₄复合材料的结构与形貌表征

3、表面化学与浸润性

XPS 证实界面电子转移与 Pd 成功负载；接触角测试表明 Pd/g-C₃N₄@Zn 表面疏水，表面能显著低于裸锌。

图 3纯 g-C₃N₄与 Pd/g-C₃N₄的 XPS 表征

图 4电极浸润性与表面能分析

4、耐蚀性与锌沉积行为

浸泡 7 天，改性电极无明显腐蚀产物峰；塔菲尔极化显示腐蚀电流密度降低；析氢电位负移至−1.93 V；计时电流显示80 s 达稳定的3D扩散；成核过电位 79 mV；对称电池循环＞2500 h。

图 5电极耐蚀性与锌沉积行为电化学测试

5、原位观测与沉积机理

原位光学观测显示：裸锌枝晶疯长、大量气泡；改性电极锌沉积致密无突起。循环 500 圈后，改性电极表面仍平整光滑。

图 6裸锌与 Pd/g-C₃N₄@Zn 的形貌及沉积机理

6、全电池电化学性能

CV 峰电流密度更高；电荷转移电阻由 270 Ω 降至 50 Ω；自放电显著抑制；1 A/g 首放容量 270 mAh/g；倍率性能优异；2 A/g 下 5000 圈容量保持75%，库仑效率 99.56%。

图 7 基于裸锌、g-C₃N₄@Zn、Pd/g-C₃N₄@Zn 的全电池电化学性能

总结与展望

本工作通过原子层沉积，成功构建疏水-亲锌双功能 Pd/g-C₃N₄涂层，实现锌负极界面精准调控：疏水界面高效抑制腐蚀、析氢与副产物积累；亲锌 Pd 位点显著降低成核过电位，引导均匀有序锌沉积；对称电池超 2500 h 稳定循环，全电池 5000 圈仍保持 75% 容量。该策略为高稳定、长寿命水系锌离子电池提供可规模化的界面工程方案，也为锂、钠、钾、镁等金属负极的稳定化设计提供通用思路，有力推动下一代高安全储能电池迈向实用化。

原文信息

Ziying Shi, Huimin Sang, Shaobo Li, Feng Yuan, Xianghong Liu, Jun Zhang. Atomic-layer-deposited hydrophobic-zincophilic Pd/g-C₃N₄ coating for ultra-stable aqueous Zn batteries. ENG.Energy, 2026, 20(3): 10615 DOI:10.1007/s11708-026-1061-5

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通讯作者简介

袁峰，青岛大学教授、硕士生导师。主要研究领域是凝聚态理论，包括低维强关联电子系统及其磁性的研究、高温超导电性的研究以及介观系统物理性质的研究。近几年共发表研究论文30多篇。作为课题的主要参加者，最近几年承担完成了多项国家科学基金的项目。作为主持人承担并完成国家自然科学基金项目两项，教育部留学归国人员科研基金项目一项，校级科研启动基金项目一项。已培养硕士研究生12人，其中3人毕业后进一步攻读博士研究生。

联系方式：yuan@qdu.edu.cn

张军，青岛大学教授、博士生导师，山东省杰青、山东省青年泰山学者，物理科学学院副院长。主要研究纳米材料制备与表征、敏感电子学与气体传感器、智能感知技术与应用、能源存储与转化等。已在Matter、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed、Nano Lett.、Adv. Mater.等国际期刊上发表SCI论文170余篇，引用15000余次，H指数71；撰写英文专著《Nanowires Electronics》章节；授权国家发明专利7项；先后承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划、企业科技合作、山东省研究生教学改革等项目；在国际/国内学术会议做邀请报告20余次；曾获山东省自然科学二等奖（首位）、河南省自然科学二等奖、2025年度全球高被引科学家（科睿唯安）、2021-2025年全球前2%顶尖科学家（斯坦福）、英国皇家化学会高被引作者、英国皇家化学会Mater. Horiz.新锐科学家、青岛市优秀教师等奖励和荣誉。

联系方式：jun@qdu.edu.cn

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ENGINEERING Energy（原Frontiers in Energy）是中国工程院院刊能源分刊，由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

ENGINEERING Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年影响因子为6.2,在“ENERGY & FUELS”学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在“Energy”领域排名#77/299；2025年即时IF为8.1，即时CiteScore为9.0。

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