南方科技大学&湖南工业大学&南华大学，AEM：胺功能化MIL-125隔膜与MOF衍生碳宿主协同策略赋能高性能水系锌碘电池

第一作者：王玲

通讯作者：李娜，刘益林，慕永彪，曾林

单位：湖南工业大学，南华大学，南方科技大学

ZIBs（锌离子电池）因锌资源丰富、成本低、环境友好、安全性高及较低的氧化还原电位（相对于标准氢电极-0.76 V）而备受关注。然而，这类电池始终面临能量密度与循环寿命的矛盾：传统插层型正极材料（如钒氧化物、锰氧化物）在反复Zn²⁺嵌脱过程中易发生结构退化，导致容量衰减；锌金属负极则存在枝晶生长、析氢和腐蚀等问题，严重影响电池的安全性与稳定性。锌碘电池以1.38 V的高压平台运行，依靠可逆的I₂ ⇌ I⁻转化实现能量存储，不依赖刚性晶格框架，并显著提升反应速率。但在循环过程中，可溶性聚碘中间体（如I₃⁻、I₅⁻）易向负极扩散，产生穿梭效应，造成自放电、库仑效率降低及活性物质损耗，从而限制能量密度与寿命。为此，研究者提出多种碘限制策略。MOFs凭借可调控的孔隙结构和丰富的官能团，成为电化学储能中碳材料的理想前驱体。但原始MOFs导电性较差，通常需经热解转化为导电多孔碳框架。同样重要的隔膜不仅与电极界面接触，还调控电解液传输，因此隔膜工程成为调节界面离子动力学的有效途径。然而，现有MOF功能化隔膜在同时实现高Zn²⁺迁移数、有效抑制多碘化物穿梭及保持长期机械和化学稳定性方面仍具挑战。此外，利用同一MOF前驱体衍生材料在阴极碘限制与隔膜离子选择性调控上的战略耦合，尚未得到深入探索。

近日，南方科技大学曾林教授、湖南工业大学材料科学与工程学院李娜教授与南华大学刘益林教授团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Amine-Functionalized MIL-125 Separator and MOF-Derived Carbon Host for High-Performance Aqueous Zinc-Iodine Batteries”的研究论文。该研究通过阴极限域效应与隔膜选择性的协同整合，成功构建了Zn||NH₂-MIL-125/GF||I₂@TiO₂/NPC电池。该电池结合了胺官能化MOF隔膜与MOF衍生多孔碳载体的双重策略，实现了高能量密度、长期循环稳定性和改进的安全性，为水基金属卤化物储能系统的发展奠定了坚实基础。

研究团队采用简便的浸渍法成功制备了 NH₂-MIL-125/GF 复合隔膜。相比孔径大、结构松散、难以有效调控 Zn²⁺ 传输并抑制多碘阴离子迁移的原始 GF 隔膜，NH₂-MIL-125/GF 隔膜借助 MOF 纳米颗粒的填充构筑了致密互联的介孔骨架，不仅显著提升了 Zn²⁺ 的传导效率，还有效阻止了多碘阴离子的扩散。同时，-NH₂ 官能团的引入在保持 MIL-125 框架完整性的基础上，实现了氨基功能化，使隔膜由单纯的被动屏障转变为能够主动调控 Zn²⁺ 溶剂化与传输的“智能界面”。

LSV 与 Tafel 测试结果表明，NH₂-MIL-125/GF 隔膜具有更负的析氢起始电位和更低的腐蚀电流密度，可显著抑制 HER 并提升耐腐蚀性能，这归因于 −NH₂ 位点对 Zn²⁺ 去溶剂化的促进作用。DFT 计算进一步揭示，−NH₂ 修饰增强了对 Zn²⁺ 与 H₂O 的吸附能力，同时削弱 Zn(H₂O)₆ 溶剂化结构，促进 Zn²⁺ 的去溶剂化过程。在 Zn||Zn 对称电池中，该隔膜在宽电流密度范围内展现出优异的倍率性能和超过 2200 小时的稳定循环。Zn-Cu 不对称电池测试显示其平均库仑效率高达 99.4%，循环寿命超过 1300 次，表明其界面相容性良好、电化学可逆性优异。原位 EIS 与 DRT 分析结果显示，NH₂-MIL-125/GF 隔膜体系电池具有低且稳定的界面阻抗，Zn²⁺ 传输动力学表现显著优于 GF 和 MIL-125/GF 隔膜体系。原位光学显微观察进一步证实，该隔膜能够有效抑制枝晶形成与气泡析出。循环后锌负极表征结果显示，NH₂-MIL-125/GF 隔膜显著改善了 Zn²⁺ 沉积行为，三维 LSCM 图像表明其表面平整光滑，无明显突起，而 GF 与 MIL-125/GF 隔膜均存在不同程度的不均匀沉积和枝晶残留。综上，胺功能化隔膜在调控锌沉积均匀性与提升界面稳定性方面发挥了关键作用。

NH₂-MIL-125 经高温热解得到的 TiO₂/NPC 具备超高比表面积（≈1300 m² g⁻¹）及微/介孔双结构。通过熔融扩散法将 I₂ 均匀嵌入孔道中，形成机械与电化学均稳定的 I₂ 负载体系。多种表征手段（BET、SEM/TEM、SAED、XRD、Raman）及吸附实验结果显示，该材料提供大量吸附位点，可在 90 min 内完全吸附溶液中游离碘，并在长循环后保持结构与晶格完整。CV 测试表明，该载碘正极具有可逆且快速的 I₂/I⁻ 反应动力学，在倍率与长循环测试中表现优异：在 2 A g⁻¹ 条件下循环 10,000 次后容量保持率超过 88%，在 0.05 A g⁻¹ 下比容量高于 200 mAh g⁻¹，即使在 2 A g⁻¹ 高电流密度下仍保持逾 100 mAh g⁻¹。该策略有效降低了多碘物种溶解与扩散引起的性能衰减，从正极端显著提升了电池的循环稳定性。

“Amine-Functionalized MIL-125 Separator and MOF-Derived Carbon Host for High-Performance Aqueous Zinc-Iodine Batteries”

曾林教授简介：南方科技大学机械与能源工程系长聘副教授，博士生导师。机械与能源工程系副主任，碳中和能源研究院助理院长。曾林副教授课题组研究方向为燃料电池、电解水以及电化学储能材料与器件的研发。先后主持国家自然科学基金2项，广东省自然科学基金2项，深圳市科创委项目3项，参与科技部重点研发计划、粤深联合基金重点项目以及深圳市“双碳”专项等项目6项。在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、International Journal of Heat and Mass Transfer、Nature Communications和Renewable and Sustainable Energy Reviews等期刊发表学术论文150余篇，累计被引用11000余次，H因子54，ESI高被引论文12篇，申请发明专利25项（授权8项），撰写书籍章节2章，2024年荣获全球“终身科学影响力排行榜（1960-2024）”，连续四年位列斯坦福大学发布“全球前2%顶尖科学家”榜单（2021-2024）。

李娜教授简介：博士生导师，湖南省青年科技人才，湖南工业大学渌江学者。主要从事储能材料与器件方面的研究，如功能型凝胶电解质、超级电容器、锌离子电池、锌碘电池、钠离子电池等。先后主持国家自然科学基金面上及青年项目3项，中国博士后特别资助及面上项目2项、湖南省自然科学基金、湖南省教育厅重点项目、湖南省科技厅人才计划项目等省部项目10余项，以第一作者或通讯作者在Advanced Energy Materials, Journal of Energy Chemistry、Chemistry of Materials，Rare Metals，ACS Sustainable Chemistry Engineering，Nanoscale，Chemical Engineering Journal，Chinese Chemical Letters，Macromolecular Chemistry and Physics，Colloids and Surfaces A等期刊发表论文40余篇。获天津市自然科学三等奖、湖南省自然科学三等奖、株洲市科技进步三等奖各一项。

刘益林教授简介：2021年3月毕业于哈尔滨工业大学（2019年至2020年国家公派赴新加坡科技设计大学联合培养）。长期从事海水提铀技术研究，聚焦先进吸附材料设计与机理研究、高效提铀装备开发及工程化应用。现主持国家自然科学基金青年基金，湖南省自然科学基金青年项目等科研课题。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials, Water Research等能源与水资源领域期刊发表SCI论文24篇（其中IF>10论文10篇），1篇入选热点论文，2篇入选ESI高被引论文，总被引超过1200。现任中国核学会会员，担任多本SCI期刊审稿人。

王玲，湖南工业大学材料科学与工程学院2024级博士研究生，南方科技大学曾林老师课题组访问博士研究生，研究方向为高性能水系锌碘电池的研究，师从李娜教授、曾林教授。

南方科技大学曾林课题组招聘二次电池、电解水方向博士后课题组长期招聘电解水制氢、锌离子电池和固态电池等研究领域的博士后，课题组可以提供冷冻电镜(Cryo-TEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、台式X射线吸收精细结构/发射谱仪(XAFS/XES)、原位XRD以及原位Raman、原位红外等多种高端分析表征。感兴趣者请联系zengl3@sustech.edu.cn。