近日，理工学院物理学系麦文杰教授团队与中科院北京纳米能源所王中林院士团队等合作，以暨南大学为第一单位在Nature Communications上发表了题为 “Tailoring water structure with high-tetrahedral-entropy for antifreezing electrolytes and energy storage at −80°C”的重要研究成果（图1）。
图1文章标题页截图
水既简单又复杂，水的特殊性质是凝聚态物理学科中非常重要的课题之一。从液态水到固态冰的转变是大自然中非常常见却又十分复杂的相变现象，其导致的冰川形成对于调节全球气候有着非常重要的作用。但是，有时结冰导致的各类事故又会对人类生存和经济社会发展造成严重危害。虽然目前已经报道了一些抑制冰晶形成的策略（如有机溶剂的添加、凝胶化处理、表面亲疏水改性等等），但是这些方法存在成本高、效率低、环境污染大等诸多缺点。此外，冰核形成和生长过程的微观机制和驱动力仍不明确。
抗冻水系电解液对于水系电池意义重大，而设计安全高效的抗冻技术需要充分理解水分子的微观行为。将无机盐引入到水溶液是一种简单且低成本的抗冻策略，盐溶质电离出的离子与水分子的相互作用可以有效破坏水分子之间的氢键网络，从而抑制冰晶的成核，降低水溶液的凝固点。然而，不同离子对水分子结构的特异性影响以及对水溶液凝固点的调控机制至今还未被人们完全理解。
针对上述瓶颈问题，本工作从热力学上揭示了四面体熵与水的凝固点之间的关联，并且通过四面体熵的阈值实现对不同电解液凝固点的预测。通过采用高氯酸盐基高熵电解液的水系锌离子电池可以实现在-80 °C下的长循环稳定性，并进一步构建了可以在-80 °C下工作的锌离子电池-纳米发电机集成自驱动系统，展现了未来在极地、太空等极端低温环境下作业的新型能源系统的良好应用前景。
图2 不同锌基水系电解液的低温光学显微镜表征及四面体序参数、冰状水比例、四面体熵的分子动力学统计分析
采用原位低温光学显微镜直观比较不同离子水溶液体系的凝固点，高氯酸锌盐体系在-83.5 °C才开始结冰，具有最优异的抗冻性。根据水分子四面体序参数的统计结果可知，高氯酸盐电解液中类冰水的比例最少，因此含有最少的冰晶成核位点，能够有效抑制结冰行为。高氯酸盐体系相比于其他含有不同阴离子的电解液，在不同温度下都具有最大的四面体熵。此外，当不同离子水溶液凝固时都具有相当接近的四面体熵数值，根据该阈值可对含有不同阴离子的电解液（同一浓度下）进行凝固点的预测。
本研究从理论上揭示离子特异性对水分子微观结构和四面体熵的影响，更好地理解水结冰的本质，可望运用四面体熵阈值预测不同离子水溶液的凝固点，并指导开发更多具有突破性的新型抗冻水系电解液。
论文通讯作者为麦文杰教授和王中林院士，孙鹏副教授、黎晋良副教授等人也对本工作做出了重要贡献。该论文得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的资助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-023-36198-5