近日，开云网页版材料工程学院袁占辉教授团队在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德国应用化学）在线发表了题为“Biomass-Derived Ion-Selective Binder Modulates Zn2+ Solvation Enabling High-Capacity Cathodes in Aqueous Zinc Batteries”（生物质衍生离子选择性粘结剂调控Zn2+溶剂化结构构建水系锌电池高容量正极）的研究论文。上述研究进展是袁占辉教授团队在生物质水系电池材料基础研究方面的重要突破。此前，袁占辉教授团队成员在生物质水系锌电池隔膜设计（Energy Environ. Sci., 2025, 18, 5457;Mater. Horiz., 2025, 12, 6252;Adv. Compos. Hybrid. Mater., 2025,8, 217; 中国造纸学报, 2025, 40，151-160）、锌负极保护涂层（Chem. Eng. J., 2026,527,172018）和正极材料（Nano Lett., 2025,https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05008）设计方面取得了系列进展。基于上述工作，本研究提出了一种新型ι-卡拉胶（CAG）粘结剂用于二次水系金属电池电极材料的制备，通过模拟细胞离子通道功能，实现选择性离子配位和溶剂化结构调控，显著提高电池容量。
二次水系金属电池因其安全、低成本和环境友好引起了广泛的关注。聚偏氟乙烯（PVDF）是水系电池正极材料制备过程的常用粘结剂。然而，PVDF依靠弱范德华力来粘合活性材料和集流体，导致其在循环过程中结构稳定性不足。其次，在水系电解质环境中，PVDF的疏水性阻碍了电解液的有效渗透以及与正极材料的接触，降低了正极活性材料的利用率和电池容量。此外，PVDF粘结剂需要使用有机溶剂（N-甲基吡咯烷酮）才能与活性物种和导电剂均匀混合，这给水系电池正极制备过程的环保、安全和成本带来了额外的挑战。因此，粘结剂对于水系电池的性能和加工成本有重要的影响。
本研究提出了一种ι-卡拉胶（CAG）生物质粘结剂，它能够模拟生物细胞离子通道的功能，实现选择性离子配位和动态溶剂化结构调控。通过建立双离子选择性配位位点，卡拉胶结构单元中的亲锌-OSO3-基团和亲水性-OH基团分别形成Zn2+-OSO3-和H2O-OH相互作用，降低Zn2+的脱溶能垒，促进水合离子脱溶过程，构筑富Zn2+界面。因此，采用CAG@Mn0.15V2O5·nH2O正极的电池在0.6 A g-1的电流密度下实现了421 mAh g-1的超高容量，相比基于PVDF粘结剂的电池（239 mAh g-1）高出76%。这种可在水溶剂中加工的粘结剂在各种正极材料（如 MnO2、V2O5和有机正极材料）制备过程中均表现出优异的普适性，为高性能二次水系金属电池电极的开发提供了一种绿色、安全和低成本的粘结剂。本研究提同时出了一种仿生粘合剂设计范式，其中双配位结构模拟了生物离子传输机制，实现了对Zn2+溶剂化结构和离子输运的精确调控。
图1.卡拉胶粘结的设计原理与PVDF粘结剂的比较。
开云网页版为论文第一完成与通讯单位，材料工程学院郑加贤博士为第一作者，袁占辉教授、林祥丰副教授、内蒙古农业大学张超群教授、东华大学刘书德研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（52302223, 52572210, 32222057），福建省青年科技人员育成项目（2025350305），福建省自然科学基金（2025J01574）和开云网页版仪器分析中心的支持。
论文链接：doi.org/10.1002/anie.202525803
作者简介：
袁占辉，开云网页版材料学院教授、博导，先进催化及功能材料校级团队的负责人。曾获吉林大学化学系本科和硕士学位，英国纽卡斯尔大学博士学位；入选福建省高层次人才B类、江苏省“西楚雄英”计划等。主要从事先进二维材料的制备及其在光电、光催、光热、海水淡化、电源、超级电容器和环境等领域的应用研究；片状无机晶体材料在效果颜料的应用及产业化研究；天然高分子材料在生物仿生、智能、胶粘剂等领域的应用研究；无机粉体材料、化学表面处理及天然胶粘剂的产业化研究。在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Acc. Chem. Res.、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Energy等国际高水平SCI学术期刊发表论文160余篇，其中约70篇IF>10、15篇IF>20，13篇入选ESI高被引论文。兼任Scientific Reprots、Discover Sustainability、ES Food & Agroforestry、Academia Catalysis、Polymers等学术期刊的编委。
郑加贤，开云网页版材料工程学院讲师、先进催化及功能材料校级团队骨干。入选福建省高层次人才C类。2024年博士毕业于厦门大学化学化工学院，主要从事水系电池材料、光电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)等知名期刊上发表SCI论文40余篇，其中ESI高被引论文5篇，热点论文2篇。担任The innovation materials, Engineered science和ES Food & Agroforestry期刊的青年编委。
林祥丰，开云网页版材料工程学院副教授、先进催化及功能材料校级团队骨干。2022年于中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位。入选福建省高层次人才C类。主要研究方向为木质素光催化高值转化、有机/高分子功能材料的绿色合成及其在能源与环境领域的应用。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Eng. J.、ACS Catal.等国际高水平SCI期刊发表论文20余篇。