扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、TOF-SIMS等技术解析镁金属钝化机制！

  镁（Mg）金属因其理论容量高（3833 mAh cm−3）、低红氧电位（−2.37 V vs. 标准氢电极）、在地壳中丰富以及抗枝晶特性，被大范围的应用于高能量密度、可持续和安全的电池领域。与传统的锂金属材料相比，镁阳极具有更高的安全性和更低的成本。然而，镁金属电池在传统电解质中，尤其是水性电解质中，面临着严重的表面钝化问题，导致其充放电性能不佳，成为该领域的一大挑战。鉴于此，新加坡科技研究局Seh Zhi Wei教授团队、浙江大学陆俊教授以及上海科技大学物质学院刘巍等人携手在镁金属阳极的水诱导钝化研究中取得了重要进展。他们发现，在水的作用下，除了众所周知的镁氧化物（MgO）和氢氧化镁（Mg(OH)2），镁氢化物（MgH2）也会在镁金属表明产生。这一发现揭示了水诱导的镁钝化过程中，氢气的释放与镁金属之间的反应，导致MgH2的生成。通过时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS），该团队可视化了MgH2在钝化层中的空间分布。为客服水对镁金属的钝化影响，该团队设计并绘制了一种基于石墨的疏水性且Mg2+可渗透的防水相界面。这种铅笔绘制的石墨（PDG）相界面不仅有效保护了底层的镁金属免受水的侵害，还表现出优良的亲镁性和高Mg2+扩散性，以此来实现了低过电位和可逆的镁电镀/剥离行为。实验根据结果得出，PDG-Mg阳极即便在水处理后，依然能够在对称电池中稳定运行超过900小时，在全电池中循环超过500次。

  本文通过时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等先进表征手段，深入研究了水处理镁电极的钝化机制，揭示了水与镁金属的反应生成氧化镁（MgO）和氢氧化镁（Mg(OH)₂）的过程。通过对这些钝化产物的分析，作者进一步了解到，生成的氢气（H₂）会与镁金属反应，形成氢化镁（MgH₂），这为镁的电化学行为提供了重要的背景。针对镁电极表面钝化现象，作者通过高分辨率的表征手段，探讨了钝化层的微观结构及其对电化学性能的影响。结合X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱，作者取得了钝化层中MgO、Mg(OH)₂和MgH₂的成分及其空间分布的信息。这些表征结果为，钝化层对镁离子（Mg²⁺）的吸附能力比较差，限制了镁的可逆沉积和脱离，进而影响了电池的循环稳定性。在此基础上，通过SEM和TEM等表征手段，深入分析了PDG-Mg电极的结构特性。通过绘制石墨基保护层，作者成功提高了镁电极在水性环境中的电化学稳定性。PDG层的致密结构与优良的疏水性，使其能够有很大效果预防水分侵入底层镁基材。电化学测试根据结果得出，PDG-Mg电极在水处理后仍能保持900小时的稳定上班时间，并在全电池中实现超过500次的循环。这一根据结果得出，石墨基保护层在提升镁电极性能方面具备极其重大作用。总之，经过多种表征手段的深入分析，作者不仅揭示了镁电极在水处理后钝化机制的本质，还探索了通过表面工程改善其电化学性能的可能性。这一研究成果为制备防水镁金属阳极提供了新的思路，推动了镁基电池材料的进步，尤其是在对水敏感的电池化学领域。通过本研究的深入理解，作者期待在未来的研究中实现更高效、更稳定的镁金属电池技术。