本报讯  工程科学学院热科学和能源工程系谈鹏教授团队在水系锌电池领域取得新进展，研究团队成功开发了原位3D pH可视化技术，实现了对锌电极反应界面pH场的三维、原位、定量成像。相关研究成果发表于《ACS Energy Letters》，并被选为封面论文。

研究团队设计了一种可进行光学观测的电化学测试装置，并在电解液中引入荧光pH指示剂，通过激光共聚焦成像技术逐层扫描界面附近电解液区域，实现了反应界面pH场在三维空间中的实时监测与高精度定量重构。

借助这一工具，研究团队对锌电极界面化学环境进行了实时监测。首先，在静置条件下，三维成像揭示出沿重力方向的明显pH分层，即电极下方区域的pH显著高于上方区域，在600s时pH差值达到约0.3。进一步，在对称锌电池恒流运行条件下进行原位监测，发现电溶解阶段界面下方迅速形成高pH区域，竖直pH梯度快速增大，在180s时上下pH差值达到约0.6；随后在沉积阶段虽有所缓和，但循环结束时仍保持在0.4以上。这些结果表明，无论在静置还是电化学运行过程中，锌电极界面都会形成稳定的竖直化学分层。

研究团队结合多物理场模拟，系统阐明了这种化学分层是重力耦合物质传输调控的直接结果，并揭示了一个全新的电极失效机制：化学梯度驱动的活性物质再分布。具体而言，上部的低pH和低Zn2+浓度加速了析氢腐蚀和溶解反应，而下部的高pH和高Zn2+浓度抑制了析氢腐蚀，促进了锌沉积。随着循环进行，这种差异驱动活性锌沿竖直方向迁移，最终形成“上部耗尽－下部富集”的结构分化，并引发电极失效。

该工作成功实现水系锌电池界面化学分层的三维可视化，揭示了化学梯度驱动的锌电极活性物质再分布机理，不仅为水系锌电池中金属负极的失效机制提供新见解，也为其他水系金属电池的理性设计提供普适性指导。

论文第一作者为赵忠喜、陈永堂，通讯作者为谈鹏教授。

（工程科学学院 科研部）