川大《AFM》：完成电化学活性微蛋白涂层以安稳锂金属负极！

  根据一维微通道的微流控技能已发展到昌盛阶段，而厚度在微米或以下的二维微流控技能应被视为二维微流控体系。在微米或以下标准，流体物理学与大标准流体不同，由于外表张力的影响比微流体的重力更首要。以最常见的二维微流体体系（即在外表上涂覆薄流体层）为例，当流体厚度减小到微米/纳米标准时，流体在外表张力的效果下最好缩短在一起。微流体技能对纳米/微制作具有极大的爱好，但传统上仅限于微通道内。打破这一约束，开发二维微流体技能有望拓宽微流体技能的潜力。

  来自四川大学的学者运用多孔电池隔阂的毛细管效应，提出了自拼装毛细管二维微流体的概念，以完成在隔阂薄膜上杰出操控的功用涂层。试验和模仿研讨调查了这种二维微流体的毛细管辅佐液体定制行为，发现毛细管数是操控二维微流体厚度的要害参数。在运用研讨中，该二维微流体采用了玉米蛋白溶液，枯燥后在分离器上生成具有电化学活性的自拼装蛋白微球涂层。由此发生的蛋白质微球功用化隔阂（PMFS）可对锂金属负极外表起到生化安稳效果。首要，PMFS 可作为球形模板调理锂离子的均匀堆积。其次，类似于药物的继续开释，PMFS 将溶解的蛋白质作为功用添加剂开释到液态电解质中，协助构成具有高导电性锂-碳-氮成分的巩固固态电解质-间相。这项研讨不只提出了一种用于外表纳米/微制作的简洁自拼装二维微流体技能，还为安稳锂金属负极提出了一种远景宽广的根据蛋白质的物理化学战略。相关作业以题为“Electrochemical Active Micro-Protein Coating by Self-Assembling 2D-Microfluidics for Stabilizing Lithium Metal Anode”的研讨性文章宣布在Advanced Functional Materials。

  图 1. 用来制作 PMFS 的自拼装二维微流体概念及其在锂金属负极中的运用。a) 经过毛细管粘附辅佐流体裁剪制作 PMFS 的分离器支撑二维微流体示意图。b) 运用 PMFS 完成锂金属负极的物理化学安稳。电化学活性蛋白微球作为共同的中心层，可调理金属锂的堆积形状以及固体-电解质-中心相（SEI）的成分。

  图 2. 经过毛细管粘附辅佐液体裁剪研讨二维微流体。a) 相片显现分离器向上拉动时的液体裁剪。b) 液池高度和 c) 流体粘度对多孔分离器吸附的安稳微流体厚度的影响。d) 微流体厚度随液池高度添加而改变的动态模仿。f) 微流体厚度与毛细管数的幂律拟合曲线。g) 比较试验数据、拟合数据和模仿数据得出的微流体厚度。h) 猜测微流体最大厚度的稳态模型的流体剖析以及显现稳态下实践微流体的相片。

  图 3. 二维微流体中蛋白质微球受 PEO 和溶剂调理的自拼装研讨。a) 不含 PEO 和 b) 含 PEO 的自拼装玉米蛋白微球的扫描电镜图画。插图是微球的相应 TEM 图画。c) 纯玉米蛋白和玉米蛋白-PEO 微球的傅立叶改换红外光谱。d) 去离子水（DI）、乙醇/DI 混合溶剂及其与PEO 溶液的溶剂蒸腾率。溶液中 PEO 的固含量固定为 2 wt.%。e) 不含 PEO 和 f) 含有 PEO 的玉米蛋白在溶剂蒸腾过程中的自拼装行为示意图。g-i) 可控厚度的玉米蛋白微球侧视扫描电镜图画。

  图 4. 二维微流体生成的 PMFS 的锂离子置换/剥离行为。a) 示意图和 SEM 图画显现蛋白质微球经过压转成功移植到锂金属外表。b) zein 结构中心、碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）溶剂分子以及 Li+ 和 PF6- 离子之间的质量中心 RDF。c) 运用碳酸酯基电解液的 LiCelgardLi 和 LiPMFSLi 电池在 0.1 至 1 mA cm-2 不同电流密度下的电压曲线。d) 运用醚基电解液的 LiCelgardLi 和 LiPMFSLi 电池在 0.2 至 1 mA cm-2 不同电流密度下的电压曲线. PMFS 对锂金属正极外表物理化学调控的研讨。在醚基电解液中循环 20 次后，原始锂（上图）和 PMFS 处理过的 zein@Li（下图）的 a) Li1s、b) N1s 和 c) F1s 的 XPS 光谱。d) 原始锂负极在 1 mA cm-2 下循环 50 次后的顶视 SEM 图画，容量为 1 mA h cm-2。e) 锂电镀/剥离过程中原始锂的外表演化示意图。f) zein@Li 在初始状况、20、50 和 100 个循环后的顶视 SEM图画。g) 锂电镀/剥离过程中 PMFS 调理的 SEI 描摹和组成示意图。

  总归，本研讨提出了一种分离器支撑的自拼装二维微流体概念，用于在特别柔韧的多孔薄膜上操作微流体，并证明了它在制作 PMFS 以处理锂金属负极具有挑战性的界面问题方面的重要运用。在自拼装二维微流体的研讨中，毛细管数量和液池高度被确定为操控二维微流体厚度的要害参数。一起，经过合理规划成分，成功地将玉米蛋白溶液的二维微流体转化为自拼装蛋白微球，并很好地操控了其在电池隔阂上的粒径和涂层厚度。最终，这种运用所提出的二维微流体技能制备的 PMFS 在维护锂金属负极方面显现出杰出的运用远景。电化学活性蛋白微球涂层能构成润滑的外表形状和富含锂-碳-氮成分的高离子传导性 SEI，从而在物理化学上安稳锂金属负极。运用 PMFS 拼装的对称锂电池或半电池都显现出更高的循环安稳性和速率才能。总归，所提出的分离器支撑的二维微流体有几率会成为一种极具吸引力的极简纳米/微技能，用来制作功用资料，在储能、催化等范畴具有极端严重运用价值。（文：SSC）