水凝胶电解质因其优异的安全特性、良好的离子电导率和界面兼容性，被认为是锌基储能系统的理想候选材料。然而，水凝胶电解质普遍面临高机械强度与离子电导率之间的权衡，以及锌离子转移数低，易诱发锌枝晶生长与副反应等挑战；同时传统水凝胶电解质大多由共价交联聚合物网络组成，存在不可回收的问题，导致严重的资源浪费与环境问题。

  近期，长春工业大学刘鑫和张钦课题组提出将鸟苷酸四链体（G-quadruplex）引入水凝胶体系构建锌离子传输通道，制备出一种兼具高机械强度与高锌离子迁移率的超分子水凝胶电解质。研究发现G-quadruplex网络能够有效抑制水的活度、均匀锌离子通量和电场分布，从而稳定锌负极。该水凝胶电解质在Zn//Zn对称电池中，可在1 mA cm^-2下实现长达3800小时的循环寿命，在10 mA cm^-2下可达1800小时。此外，锌离子杂化超级电容器表现出优异的电化学性能和高安全性，在10000次循环后仍能保持97.4%的容量。同时，废弃的超分子水凝胶可轻松解自组装为单体和生物大分子，回收后材料性能几乎无衰减，这凸显了其相较于传统共价交联水凝胶的可循环利用的优势。本研究提供了一种超分子工程策略，有效克服了水凝胶电解质中的权衡问题，推动了可持续、稳定的锌离子超级电容器的发展。

  2026年7月7日，相关成果以"Closed-loop Recyclable and Robust Supramolecular Hydrogel Electrolytes with High Zinc Ion Mobility for Stable Zinc Anode"为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI: 10.1002/anie.9230301）。长春工业大学刘鑫和张钦副教授为本文共同通讯作者，该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1 超分子GGQZ水凝胶电解质示意图及相关表征

  多尺度计算模拟深入揭示了G-quadruplex自组装机制与Zn²⁺传输特性。DFT计算表明，Zn²⁺-GMP的结合能（-17.71 eV）远高于Zn²⁺-H₂O（-4.97 eV），G-四链体的最低静电势（-6.90 eV）显著低于H₂O（-1.88 eV），表明G-四链体具有捕获Zn²⁺和重构Zn²⁺溶剂化壳层的强大能力。分子动力学（MD）模拟显示，GGQZ体系中Zn²⁺的溶剂化层中H?O配位数从4.01降至3.83，且出现了Zn²⁺与-HPO₄^-在1.82 ?处的新配位峰，配位数为0.22，证实GMP参与了Zn²⁺的初级溶剂化壳层。Zn²⁺在GGQZ中的迁移速率是Gelatin-S对照组的2.08倍，非高斯参数分析表明Zn²⁺从极性基团约束中的逃逸时间从774 ps缩短至349 ps。相邻-HPO₄^-之间的Gibbs自由能仅约7 kcal mol^-1，表明Zn²⁺沿G-quadruplex的连续配位传输能垒较低。

图2 GGQZ水凝胶电解质自组装机制及Zn²⁺传输性质的多尺度计算分析

  电化学测试全面验证了GGQZ水凝胶电解质对锌负极的稳定作用。Zn²⁺迁移数（tZn²⁺）为0.71，远高于Gelatin-S的0.34。Zn//Zn对称电池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下稳定运行超过3800小时，远超Gelatin-S的278小时；在10 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下仍维持1800小时。Zn//Cu不对称电池中，GGQZ电池在600次循环中保持99.67%的平均库伦效率。循环后XRD分析表明，GGQZ电池中仅检测到金属锌的特征衍射，且I(002)/I(100)强度比从2.24提升至4.29，表明GGQZ促进了Zn(002)晶面的择优取向沉积。柔性锌离子混合超级电容器（ZIHCs）在1 A g^-1下循环10000次后容量保持率达97.4%。

图3 GGQZ水凝胶电解质中枝晶抑制和Zn²⁺沉积行为

  闭环可回收性是GGQZ水凝胶电解质的突出优势。利用明胶网络的热响应性和G- G-quadruplex网络的pH响应性，废弃的GGQZ水凝胶可通过加热（70 °C）和酸处理（pH 1-2）实现高效解聚，分别回收明胶和Na₂GMP单体。回收再组装的GGQZ水凝胶在两次循环后仍保持99.1%的初始离子电导率和91.8%的初始机械强度。生命周期评估（LCA）显示，回收后的GGQZ水凝胶气候变化潜势仅为0.13 kg CO2 equiv kg^-1，远低于石油基水凝胶电解质，充分体现了闭环材料可持续性的优势。

图4 可回收GGQZ水凝胶电解质的设计与生命周期评价

  本研究通过将G-四链体聚阴离子网络与明胶网络结合，成功构建了一种兼具高机械强度（断裂强度786.5 kPa）、高离子电导率（24.4 mS cm^-1）、高Zn²⁺迁移数（0.71）以及闭环可回收性的超分子水凝胶电解质。G-四链体中的-HPO₄^-基团作为亲锌配位位点，有效调控Zn²⁺溶剂化结构、约束水活性、均匀化离子通量与电场分布，从而实现了无枝晶锌负极的稳定循环。该水凝胶电解质在Zn//Zn对称电池中实现了3800小时（1 mA cm^-2）和1800小时（10 mA cm^-2）的超长循环寿命，在ZIHCs中实现了10000次循环后97.4%的容量保持率。更为重要的是，利用pH响应的G-四链体和热响应的明胶网络，废弃水凝胶可高效解聚回收为原始单体和生物大分子，经生命周期评估验证具有显著的环境可持续性优势。

  这项工作为高性能、可持续水凝胶电解质的设计提供了绿色的超分子工程范式，对推动下一代可持续储能体系的发展具有重要意义。该项研究成果同时得到了国家自然科学基金项目（No. 52303144）和吉林省教育厅项目（No. JJKH20250696KJ）的支持。

  全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.9230301