导语
水系锌碘电池因其高理论容量和本质安全性成为储能研究热点，但其发展受限于碘氧化还原反应动力学迟缓及多碘化物穿梭效应两大核心挑战。传统碳基宿主材料的物理限域与弱吸附作用难以从根本上解决上述问题。在原子尺度设计兼具强吸附与高催化活性的位点，是突破性能瓶颈的关键。
2026年1月30日，北京化工大学邱介山教授与孟祥桐副教授团队在化学领域顶级期刊 《Angewandte Chemie International Edition》 上发表了题为 “Local Polarity Engineering via Unsaturated Cu–N₃ Sites for Enhanced Iodine Redox Chemistry in Zinc-Iodine Batteries” 的研究论文。该工作创新性地提出 “局部极性工程” 策略，并采用 超快焦耳加热技术，在 1200°C下仅用3秒 即实现了不饱和配位Cu-N₃单原子催化剂的克级规模化制备。研究证实，Cu-N₃位点诱导的强局部极化场不仅能强力锚定多碘化物，更能显著降低I₂/I⁻转化能垒。基于此正极的锌碘电池展现出高达 232.2 mAh g⁻¹ 的比容量，并在 10 A g⁻¹ 的高倍率下实现 50,000次 超长循环，容量保持率高达 94.02%。该研究为设计新一代高性能卤素电池提供了全新的材料设计范式与高效制备路径。
研究核心亮点
⚡ 合成效率颠覆：采用超快焦耳加热法，在 3秒内 完成 1200°C 高温处理，成功实现不饱和Cu-N₃单原子催化剂的克级制备，解决了单原子材料规模化合成的难题。
🔋 循环寿命创纪录：基于Cu-N₃ SACs的锌碘电池在 10 A g⁻¹ 超高电流密度下循环 50,000次 后，容量保持率仍达 94.02%，创造了该体系循环稳定性的新标杆。
🔬 机制创新明晰：首次提出并验证 “局部极性工程” 策略，通过理论计算与原位表征，阐明不饱和Cu-N₃位点通过增强局域极化、优化电荷分布，从而同步强化吸附与催化转化的双功能机制。
🎯 性能全面卓越：电池兼具高容量（0.2 A g⁻¹下232.2 mAh g⁻¹）、优异倍率性能（4 A g⁻¹下163.0 mAh g⁻¹）及极低自放电率，并成功应用于柔性软包电池与太阳能驱动储能器件。
图文解析
图1：理论计算揭示Cu-N₃位点对碘物种的吸附与转化优势
研究首先通过密度泛函理论计算筛选最优活性位点。对比不同金属M-N₃位点（M=Fe, Cu, Ni, Co）发现，Cu-N₃位点对所有碘物种（I⁻, I₂, I₃⁻, I₅⁻）均表现出最强的吸附能，其中对I₃⁻的吸附能达-1.93 eV（图1a），预示其优异的限域能力。电子态密度分析表明，Cu-N₃位点的d带中心最接近费米能级（-4.17 eV），与I₂的p轨道杂化作用最强（图1b-f），有利于电荷转移。反应路径计算进一步证实，Cu-N₃位点促进I₃⁻分解的能垒最低（0.64 eV，图1g）。这些计算结果从理论上预测了Cu-N₃位点可通过强偶极-偶极相互作用，构建高效抑制穿梭并加速转化的极化微环境（图1h）。
图2：超快焦耳热法制备与催化剂形貌表征
本研究采用超快焦耳加热法规模化合成催化剂（图2a）。将前驱体置于导电基底间，通过电阻热效应在氩气中瞬时升至1200°C并淬火，仅需 3秒。TEM显示产物为超薄碳纳米片构筑的三维多孔网络（图2b），有利于物质传输。HRTEM证实其非晶特征（图2c），元素分布图显示C、N、Cu高度均匀分散（图2d）。球差校正HAADF-STEM图像中清晰可见原子级分散的亮斑，对应单个Cu原子（图2e）。氮气吸脱附测试表明材料具有高比表面积（910.72 m² g⁻¹）和丰富的微/介孔结构（图2f）。负载碘后，比表面积急剧下降，热重分析证实碘含量高达48.23%（图2g），证明碘被成功封装于多孔结构中。
图3：原子结构与局域电子特性表征
XRD谱图仅显示无定形碳的宽峰，无金属晶相峰（图3a），初步表明Cu以原子级分散。X射线吸收近边结构谱表明Cu的价态介于+1和+2之间（图3b）。扩展边X射线吸收精细结构谱的拟合分析给出关键信息：Cu的第一配位壳层为3.1个N原子，直接证实了不饱和Cu-N₃配位结构的成功构筑（图3c-d）。开尔文探针力显微镜测量显示，Cu-N₃ SACs具有最高的表面电位（41.2 mV，图3f-g），表明其局部极性和电荷分离能力最强。接触角测试证明材料具有超亲水性，润湿时间<50毫秒（图3h），确保了电解液的快速浸润。
图4：锌碘电池电化学性能评估
电化学测试全面展现了Cu-N₃ SACs-I₂正极的卓越性能。在0.2 A g⁻¹电流密度下，其放电容量高达 232.2 mAh g⁻¹（图4a），并在1000次循环后容量保持在220.0 mAh g⁻¹（图4b）。倍率性能测试中，即使在4 A g⁻¹下仍能提供163.0 mAh g⁻¹的可逆容量（图4c-d）。自放电测试中，其静置24小时后电压降最小（图4e），表明多碘化物穿梭被有效抑制。最突出的结果是长循环稳定性：在 10 A g⁻¹ 的极高倍率下循环 50,000次 后，容量保持率仍达 94.02%，性能远超Fe-N₃ SACs及纯氮掺杂碳对比样（图4g）。综合性能在已报道的碘正极材料中位于前列（图4f）。
图5：原位光谱揭示电荷存储与穿梭抑制机制
通过动力学分析发现，Cu-N₃ SACs-I₂正极的电荷存储包含扩散控制与表面电容共同贡献，且电容贡献占比随扫速升高显著增加（79%至95%，图5a-b），表明其具有快速的表面氧化还原动力学。原位紫外-可见光谱与原位拉曼光谱提供了穿梭抑制的直接证据：在Cu-N₃ SACs-I₂电极的循环过程中，电解液中几乎检测不到I₃⁻/I₅⁻的特征信号（图5c-f, g-i）。这直观证明，Cu-N₃位点对多碘化物实现了近乎完美的原位化学锚定与转化，有效阻断了其向负极的扩散路径。
图6：作用机制阐释与柔性器件应用展示
理论计算进一步从电子结构层面阐明机制。电荷密度差分图显示，碘物种在Cu-N₃位点上发生显著的电荷转移并倾向成键，而在纯碳载体上仅为弱物理吸附（图6a）。吉布斯自由能计算表明，Cu-N₃位点大幅降低了多碘化物转化各步骤的能垒（图6b）。吸附后碘-碘键长显著伸长（图6c），说明多碘化物被有效活化。基于该正极组装的柔性软包电池展现了良好的循环稳定性（1200次循环后容量138.2 mAh g⁻¹，图6d）和优异的机械柔韧性（弯折400次后仍可点亮LED，图6g）。研究还演示了其与染料敏化太阳能电池集成的光充电储能系统，在模拟太阳光及户外环境下均能稳定工作（图6h-j），展示了广阔的应用前景。
总结与展望
本工作通过精妙的“局部极性工程”设计与高效的“超快焦耳加热”合成，成功创制了具有不饱和Cu-N₃位点的单原子催化剂，并系统解决了锌碘电池中的动力学迟缓与穿梭效应难题。其科学价值在于揭示了通过调控单原子中心的局部配位环境与电子极化，可以实现对多电子、多步骤卤素氧化还原反应的高效催化与精准调控。
该研究兼具基础创新与应用突破：在理论上，提出了明确的材料设计原则；在工艺上，展示了极具工业化潜力的秒级、克级合成技术；在性能上，实现了里程碑式的长循环寿命。展望未来，该策略可推广至其他金属-氮配位体系（如M-N₂, M-N₄）或其他复杂卤素转化反应（如锌溴、锂碘电池）。进一步探索焦耳热合成参数（温度、时间、气氛）与最终原子配位结构之间的精准关联，并与机器学习结合实现逆向设计，将推动单原子催化材料迈向按需定制的新阶段，为发展下一代高能量密度、长寿命储能器件奠定坚实基础。
文献信息
Ma, Y.; Meng, X.; Wang, X.; Du, Y.; Qi, J.; Zou, H.; Li, J.; Jiang, Z.; Qiu, J. Local Polarity Engineering via Unsaturated Cu–N₃ Sites for Enhanced Iodine Redox Chemistry in Zinc-Iodine Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, *65*(e202525573). DOI: 10.1002/anie.202525573.
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