厦大任磊/王苗&长沙理工袁度 Nano Energy:蛋白质层级组装界面——仿生离子通道加速锌沉积,实现超长循环

【研究背景】

水系锌离子电池（AZIBs）凭借本征安全、环境友好、高理论容量（820 mAh g^-1）等优势，是极具前景的下一代储能技术。然而，锌负极/电解液界面处Zn²⁺的迟缓传输动力学，导致离子聚集和不均匀沉积，诱发枝晶生长、析氢腐蚀等连锁副反应，严重制约了其实际应用。传统的构建人工固态电解质界面（SEI）策略主要包括引入无机涂层、聚合物薄膜以及金属/共价有机框架（MOF/COF）等多孔多维材料。尽管这些策略能为电极提供有效的物理屏障，但在实现Zn²⁺的精准调控与定向传输方面，仍面临巨大挑战，亟待进一步深入研究。自然界的离子通道蛋白通过通道壁氨基酸残基的特异性配位，高效抵消离子脱水合能量代价。受此启发，利用蛋白质的分子可编程性构建Zn²⁺选择性传输界面，有望从根本上突破AZIBs的界面瓶颈。

【工作简介】

近日，厦门大学任磊教授、王苗副教授与长沙理工大学袁度教授团队合作，在国际知名期刊 Nano Energy 上发表题为“Renewable hierarchically assembled battery interface with boosted ion transport and prolonged lifespan”的研究论文。该工作通过计算机辅助蛋白质设计，将大肠杆菌curli结构蛋白CsgA与锌指蛋白ZFP融合，创制了一种全新的蛋白质CsgA-ZFP，并将其用于人工SEI。其中，CsgA自组装形成高度有序的交叉β-折叠纳米纤维支架，赋予涂层卓越的机械强度与界面稳定性；ZFP结构域沿纤维轴向有序排布，凭借其高Zn²⁺亲和力构建出连续的低能态离子传输通道，实现了“捕获-跃迁-沉积”的高效界面Zn²⁺传导（图1）。该蛋白质涂层使离子电导率高达84.1 mS cm^-1，Zn对称电池在20 mA cm^-2的超高电流密度下稳定循环超700小时，V₂O₅/Zn全电池2000圈后容量保持率高达91.2%，且CsgA-ZFP人工界面具备可回收、可生物降解、生物相容。厦门大学博士生杜佳豪为本文第一作者。

图1. Zn-CsgA-ZFP 人工 SEI 及其对 Zn 阳极界面反应的调控的示意图。

【内容表述】

蛋白质的层级结构决定其功能。作者使用两种不同功能的蛋白进行融合蛋白设计：CsgA提供自组装纳米纤维骨架，ZFP提供Zn²⁺特异性配位能力。关键在于，如何在融合后保持两个结构域正常发挥功能，且ZFP沿纤维轴向有序排列形成连续传输通道。为此，作者利用AlphaFold3和分子动力学模拟进行了蛋白质的合理设计（图2）。

图2. CsgA-ZFP的设计思路，表达纯化以及蛋白质性质表征。

AlphaFold3预测结合MD模拟表明，含36个氨基酸linker的CsgA-36-ZFP四聚体纤维核心最为稳定，ZFP结构域始终位于纤维外侧，沿轴向形成长程有序的周期性排布（图2a–d）。实验层面，通过优化curli基因簇（CsgABCDEFG）过表达，每升菌液可收获数十毫克curli纳米纤维，纯化仅需2小时（图2e–f）。等温滴定量热（ITC）测得CsgA-ZFP与Zn²⁺的解离常数Kd = 5.76×10^-6 M，显著优于CsgA（1.71×10^-5 M）（图2g–h）；DFT计算揭示，ZFP氨基酸侧链与Zn²⁺的四配位结合能远高于H₂O-Zn²⁺（图2i），从热力学层面验证了CsgA-ZFP重塑Zn²⁺溶剂化鞘层的潜力，这与我们预先设计的蛋白质功能一致。

随后，作者通过旋涂法制备的CsgA-ZFP涂层厚度约2 μm，表面均匀致密（图3a–b）。ATR-FTIR解卷积显示，涂层中强氢键比例高达76.5%，远超液态电解液的70.6%，表明CsgA-ZFP有效重组了界面水氢键网络，可抑制水致副反应（图3f）。掠入射小角X射线散射（GISAXS）在q≈0.049 Å^-1处检出特征峰，对应~12.8 nm的连续Zn²⁺传导纳米通道（图3g–h）。EIS显示界面电荷转移电阻（RCT）从裸锌的~569.9 Ω降至~482.4 Ω（图3i）。Arrhenius分析进一步揭示，Zn-CsgA-ZFP的离子传输活化能仅16.05 kJ mol^-1（裸锌23.11 kJ mol^-1），离子电导率高达84.1 mS cm^-1，Zn²⁺迁移数达0.52（图3j–k），说明ZFP结构域构建了低能态、高选择性的界面离子传输路径。

图3. 蛋白质人工SEI的制备，理化性质，结构以及界面处的离子传输性质。

Zn-CsgA-ZFP在Cu|Zn不对称电池实现接近99.99%的库仑效率，Zn成核过电位从64.2 mV降至44.7 mV（图4a–b）；计时电流曲线中，Zn-CsgA-ZFP使Zn²⁺快速从2D扩散切换至3D均匀扩散模式，，有效抑制锌不均匀沉积。原位拉曼光谱表明，有涂层时OTf^-信号在整个电镀过程保持稳定，而裸锌~10分钟后即出现信号衰减（图4d–e），证实CsgA-ZFP均匀化了界面Zn²⁺通量。Zn|Zn对称电池在20 mA cm^-2、20 mAh cm^-2极端条件下稳定循环超700小时（过电位~150 mV），1 mA cm^-2下寿命更超1900小时；循环后SEM及光谱证实涂层结构完整、且化学性质保持稳定（图4i–k）。

图4. Zn-CsgA-ZFP的界面性质。

在V₂O₅/Zn-CsgA-ZFP全电池CV氧化还原峰电位差显著缩小，反映更低的极化和更快的反应动力学（图 5a）。倍率测试中回到0.1 A g^-1时容量恢复率95.61%（（图5b–c）；自放电24 h后容量保持93.33%（图5d）。全电池在1 A g^-1电流密度下循环2000次，容量保持率91.2%（裸锌仅16.0%），10 A g^-1超高倍率下5000圈仍保持90.8%（图5e–f），且综合性能在同类Zn负极保护策略中处于领先水平（图5g）——体现了CsgA-ZFP界面层在提升Zn可逆性和利用率方面的突出优势。

图5. Zn-CsgA-ZFP的全电池性能。

CsgA-ZFP作为细菌来源蛋白，具备天然可持续优势。简单HFIP洗涤-透析-冻干即可高效回收，回收蛋白（rCsgA-ZFP）结构完好，所组装全电池在1 A g^-1下700圈容量保持率仍达90.2%（图6a–c）。蛋白酶K溶液5天部分降解，土壤埋藏7天明显降解、30天完全降解，且无环境毒性（图6d–e），且HUVEC细胞活力始终>90%（图6f）。这些结果都证实该蛋白涂层兼具可回收、可降解、生物相容性，具有良好的可持续性。

图6. CsgA-ZFP的可回收性，可降解性和生物安全性。

综上所述，该工作通过CsgA-ZFP融合蛋白构建了多功能的人工SEI界面层。其中CsgA跨β-折叠骨架提供结构稳定性，锌指蛋白结构域构建低能态Zn²⁺传输通道，二者协同实现界面Zn²⁺的快速均匀传导。该策略利用基因编码的分子精度调控离子配位环境，打破了传统无机涂层和合成聚合物的界面设计范式，为下一代功能化、可持续的水系金属电池界面开辟了新路径。

【文献信息】

Renewable hierarchically assembled battery interface with boosted ion transport and prolonged lifespan, Jiahao Du, Xiangjie Liu, Jiaxing Fu, Yu Liu, Yuhang Li, Miao Wang*, Du Yuan*, Lei Ren*, Nano Energy, 2026, 156, 112131.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112131

通讯作者：王苗（厦门大学）、袁度（长沙理工大学）、任磊（厦门大学）

第一作者：杜佳豪（厦门大学材料学院博士生）

【作者简介】

第一作者：杜佳豪 厦门大学材料学院博士研究生（2022年入学），硕士毕业于福州大学。主要研究方向为水系可充电金属电池、仿生材料设计及蛋白质材料。

通讯作者：王苗 副教授 厦门大学材料学院副教授，厦门大学南强青年拔尖人才（B类），福建省优青。2016年获南京理工大学博士学位，2016–2020年在厦门大学物理科学与技术学院从事博士后研究，2020年加入厦门大学材料学院。主要研究方向为仿生离子通道、生物传感及能源材料。

通讯作者：袁度 教授 长沙理工大学材料科学与工程学院教授。2012年于新加坡国立大学获博士学位，先后在新加坡国立大学和南洋理工大学从事博士后研究，2020年加入长沙理工大学。主要研究方向为水系可充电金属电池、新型电解液及纳米结构合成。

通讯作者：任磊 教授 厦门大学材料科学与工程学院教授。2001年于日本冈山大学获材料科学博士学位，随后在新加坡国立大学从事博士后研究。主要研究方向为仿生材料设计、生物传感，以及蛋白质工程与先进能源材料的交叉融合。