近日，福建農林大學材料工程學院袁占輝教授團隊在國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德國應用化學）在線發表了題為“Biomass-Derived Ion-Selective Binder Modulates Zn²⁺ Solvation Enabling High-Capacity Cathodes in Aqueous Zinc Batteries”（生物質衍生離子選擇性粘結劑調控Zn²⁺溶劑化結構構建水系鋅電池高容量正極）的研究論文。上述研究進展是袁占輝教授團隊在生物質水系電池材料基礎研究方面的重要突破。此前，袁占輝教授團隊成員在生物質水系鋅電池隔膜設計（Energy Environ. Sci., 2025, 18, 5457;Mater. Horiz., 2025, 12, 6252;Adv. Compos. Hybrid. Mater., 2025,8, 217; 中國造紙學報, 2025, 40，151-160）、鋅負極保護涂層（Chem. Eng. J., 2026,527,172018）和正極材料（Nano Lett., 2025,https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05008）設計方面取得了系列進展。基于上述工作，本研究提出了一種新型ι-卡拉膠（CAG）粘結劑用于二次水系金屬電池電極材料的制備，通過模擬細胞離子通道功能，實現選擇性離子配位和溶劑化結構調控，顯著提高電池容量。

二次水系金屬電池因其安全、低成本和環境友好引起了廣泛的關注。聚偏氟乙烯（PVDF）是水系電池正極材料制備過程的常用粘結劑。然而，PVDF依靠弱范德華力來粘合活性材料和集流體，導致其在循環過程中結構穩定性不足。其次，在水系電解質環境中，PVDF的疏水性阻礙了電解液的有效滲透以及與正極材料的接觸，降低了正極活性材料的利用率和電池容量。此外，PVDF粘結劑需要使用有機溶劑（N-甲基吡咯烷酮）才能與活性物種和導電劑均勻混合，這給水系電池正極制備過程的環保、安全和成本帶來了額外的挑戰。因此，粘結劑對于水系電池的性能和加工成本有重要的影響。

本研究提出了一種ι-卡拉膠（CAG）生物質粘結劑，它能夠模擬生物細胞離子通道的功能，實現選擇性離子配位和動態溶劑化結構調控。通過建立雙離子選擇性配位位點，卡拉膠結構單元中的親鋅-OSO₃^-基團和親水性-OH基團分別形成Zn²⁺-OSO₃^-和H₂O-OH相互作用，降低Zn²⁺的脫溶能壘，促進水合離子脫溶過程，構筑富Zn²⁺界面。因此，采用CAG@Mn_0.15V₂O₅·nH₂O正極的電池在0.6 A g^-1的電流密度下實現了421 mAh g^-1的超高容量，相比基于PVDF粘結劑的電池（239 mAh g^-1）高出76%。這種可在水溶劑中加工的粘結劑在各種正極材料（如 MnO₂、V₂O₅和有機正極材料）制備過程中均表現出優異的普適性，為高性能二次水系金屬電池電極的開發提供了一種綠色、安全和低成本的粘結劑。本研究提同時出了一種仿生粘合劑設計范式，其中雙配位結構模擬了生物離子傳輸機制，實現了對Zn²⁺溶劑化結構和離子輸運的精確調控。

圖1.卡拉膠粘結的設計原理與PVDF粘結劑的比較。

福建農林大學為論文第一完成與通訊單位，材料工程學院鄭加賢博士為第一作者，袁占輝教授、林祥豐副教授、內蒙古農業大學張超群教授、東華大學劉書德研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（52302223, 52572210, 32222057），福建省青年科技人員育成項目（2025350305），福建省自然科學基金（2025J01574）和福建農林大學儀器分析中心的支持。

論文鏈接：doi.org/10.1002/anie.202525803

作者簡介：

袁占輝，福建農林大學材料學院教授、博導，先進催化及功能材料校級團隊的負責人。曾獲吉林大學化學系本科和碩士學位，英國紐卡斯爾大學博士學位；入選福建省高層次人才B類、江蘇省“西楚雄英”計劃等。主要從事先進二維材料的制備及其在光電、光催、光熱、海水淡化、電源、超級電容器和環境等領域的應用研究；片狀無機晶體材料在效果顏料的應用及產業化研究；天然高分子材料在生物仿生、智能、膠粘劑等領域的應用研究；無機粉體材料、化學表面處理及天然膠粘劑的產業化研究。在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Acc. Chem. Res.、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Energy等國際高水平SCI學術期刊發表論文160余篇，其中約70篇IF>10、15篇IF>20，13篇入選ESI高被引論文。兼任Scientific Reprots、Discover Sustainability、ES Food & Agroforestry、Academia Catalysis、Polymers等學術期刊的編委。

鄭加賢，福建農林大學材料工程學院講師、先進催化及功能材料校級團隊骨干。入選福建省高層次人才C類。2024年博士畢業于廈門大學化學化工學院，主要從事水系電池材料、光電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)等知名期刊上發表SCI論文40余篇，其中ESI高被引論文5篇，熱點論文2篇。擔任The innovation materials, Engineered science和ES Food & Agroforestry期刊的青年編委。

林祥豐，福建農林大學材料工程學院副教授、先進催化及功能材料校級團隊骨干。2022年于中國科學院大連化學物理研究所取得博士學位。入選福建省高層次人才C類。主要研究方向為木質素光催化高值轉化、有機/高分子功能材料的綠色合成及其在能源與環境領域的應用。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Eng. J.、ACS Catal.等國際高水平SCI期刊發表論文20余篇。