北京化工大学孙晓明教授/赵逸副教授AM观点：聚(三聚氰胺)催化高效I-/I₂反应助力高容量水系锌-碘电池

第一作者：王越洋

通讯作者：赵逸，孙晓明

单位：北京化工大学

基于I₂/I-氧化还原反应的Zn-I₂电池因其具有高输出电压（1.3 V vs. Zn/Zn²⁺）和超高理论容量（1040 mAh cm^-3），成为先进水系锌电池的研究焦点。当前，Zn-I₂电池面临以下关键瓶颈：I₂/I^-转化不完全会生成可溶性多碘化物中间体，导致活性碘损失、容量衰减及低库仑效率；不受控的碘物种转化还会引发穿梭效应，造成自放电和锌负极腐蚀，加剧电池失效。因此，从根源上抑制多碘化物形成、提升碘转化效率，仍是亟待突破的难题。为缓解这些问题，研究人员尝试通过活性炭等材料的物理吸附，或金属/有机阳离子的化学约束来限制多碘离子，也开发出多种催化正极材料改善性能。但是，如何从根本上抑制多碘化物的生成仍然是一个挑战。此外，为实现高效碘转化，正极中实际碘负载量通常低于3 mg cm^-2，这导致实际应用的电池容量受限（<1.0 mAh cm^-2）。基于上述难题，本文设计构筑具有合适孔径和丰富催化位点的低成本催化正极材料，以实现高效直接的I-/I₂转化和高碘利用率，为先进Zn-I₂电池发展与应用提供研究思路。

近日，来自北京化工大学的孙晓明教授与赵逸副教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Polymerized Melamine Catalyzes Direct I⁻/I₂ Conversion via ─N═N─ Motif for High Capacity Zn-I2 Batteries”的观点文章。该文章通过原位电聚合法设计制备活性炭负载的偶氮键连聚三聚氰胺（pMA@AC）有机催化正极，并用于基于两电子和四电子转移的大容量水系锌碘电池。（非）原位表征与理论计算证实，pMA的偶氮（-N=N-）共轭体系可借助离域π电子与碘物种发生电荷转移，催化I-/I₂直接转化。因此，pMA@AC正极可高效催化I^-/I₂反应并实现7.3 mg cm^-2高碘负载、1.6 mAh cm^-2面容量，循环寿命超20000次。同时，pMA@AC/I正极可对I-/I⁰/I+四电子反应展现稳定的催化活性，基于活性碘的质量比容量达到405 mAh g^-1（达理论值的96%），循环寿命超18000次。此外，该正极材料的低成本、可放大优势更支持构建440 mAh稳定软包电池，为先进锌-卤素电池的偶氮类有机催化剂开发提供新方向。

本研究通过溶剂分散法将三聚氰胺（MA）均匀负载于多孔活性炭（AC），形成 MA@AC 前驱体；随后将其组装成纽扣电池，在 2 M ZnSO₄/0.2 M ZnI₂电解液中经原位电化学聚合，得到核壳结构 pMA@AC，AC 为 “核” 提供多孔支撑，聚合后的 pMA 为 “壳” 赋予催化活性。通过多维度表征BET测试、SEM及元素 Mapping 证实 MA 分散均匀；FTIR、XPS、NEXAFS、UV-vis 确认 MA 成功聚合为 pMA，并捕捉到丰富-N=N-活性位点；同时揭示碘物种与 pMA 的电荷转移机制，是高效碘转化的关键。

pMA@AC催化正极中偶氮连接（-N=N-）结构的扩展π共轭赋予pMA一个离域电子系统，提高了I-/I₂转化动力学和碘利用率。因此，催化pMA@AC阴极呈现直接I^-/I₂，而不是I^-/I^3-/I^5-/I₂，从根本上抑制了多碘化物的生成。结合原位/非原位表征和理论计算，pMA中的-N=N-位点有效地促进了其与碘物质的相互作用，实现了高容量Zn-I₂电池在长期循环后的强I-/I₂催化能力和弱碘吸附能力。由于碘转移和转化能力的增强，Zn//pMA@AC 电池在 2 M 的 ZnSO₄ + 0.2 M 的 ZnI₂ 电解液中实现了高达 1.6 mAh cm⁻² 的超高面积容量，并且具有超过 20,000 次循环的超长使用寿命。

本工作的关键创新之处在于对原位聚合的 pMA 的合理设计，其利用了离域的π电子环境，从而具备强大的碘/碘离子催化能力，以及较弱的碘吸附能力，从而优化了碘的吸附-解吸平衡，使得在电解锌-碘离子电池中，即使经过长期循环，也能实现高效且快速的碘转化动力学。这种独特的偶氮连接型 pMA 进一步使 pMA@AC/I 正极具备四电子的 I⁻/I⁰/I⁺ 化学反应特性，实现了接近理论容量的 410 mAh g⁻¹，在 10,000 次循环中有80%的容量保留率，这优于大多数报道的 4e Zn-I₂电池中的催化正极材料。

本研究为高性能锌-碘电池开发了一种原位聚合的pMA@AC有机催化正极，其核心优势在于依托直接I-/I₂反应机制，解决了传统锌碘电池的关键问题。得益于活性炭（AC）对碘的限域能力，以及pMA对碘转化的强催化作用，这种核壳结构的pMA@AC正极让电解型锌-碘电池实现多重性能突破：输出电压达1.27 V，面容量高达1.6 mAh cm^-2，循环寿命更是超20000次；基于该正极组装的软包电池，不仅容量达到440 mAh，能量密度还能实现183 Wh kg^-1。其中，pMA通过共轭链中的-N=N-位点与碘进行电荷转移，实现化学吸附，从而大幅减少了碘的溶解流失并抑制多碘化物生成与穿梭问题，直接提升了电池容量与稳定性。此外，它还能加速I^-/I⁰/I⁺四电子转移反应的碘转化动力学，使得Zn//pMA@AC/I电池的容量达到405 mAh g^-1（达理论值的96%），循环寿命超18000次，充分印证pMA稳定高效的催化活性。本研究开发了一种高效、低成本的无金属偶氮类有机催化剂，建立了偶氮基团作为卤基反应中高效电催化的一般设计原则，为实用化锌-卤素电池的发展开辟了新路径。

Wang, Y.; Lv, Y.; Wei, S.; Yu, L.; Yuan, B.; Shifa, T. A.; Muhammad, M.; Wang, R.; Li, J.; Zhao, Y.; Sun, X. Polymerized Melamine Catalyzes Direct I−/I₂ Conversion via -N═N- Motif for High-Capacity Zn-I₂ Batteries. Adv. Mater. 2025. e15000.

孙晓明，北京化工大学化学学院教授、博士生导师。主要从事无机纳米材料化学研究，在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。现承担国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金国际（地区）重点合作项目、国家重点研发项目等多项科研项目。2011年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，2019获年中组部万人计划领军人才。以第一作者及通讯联系人身份在Nature, Nature Catalysis, Proc. Natl Acad. Sci., Nat. Commun., Joule, Angew. Chem., JACS, Adv. Mater.等国际刊物发表论文200篇，总引用47000余次，H因子105。申请国际专利8项，获授权2项；获国家发明专利授权40余项，多项已经完成转化。于2015年-2023年被艾斯维尔出版社及评为高引用学者，受邀担任Sci Bull杂志副主编和多个国际刊物编委。

赵逸，北京化工大学化学学院副教授。主要从事储能电池关键电极材料研究。现承担或者联合申请国家自然科学基金重点研发计划、国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年项目、博士后面上资助基金、中石油深圳能源研究院横向课题等。目前以第一/通讯作者已在Adv. Mater.(3篇)，Energy Environ. Sci.(2篇), Angew. Chem., eScience (2篇), Mater. Horizon, Adv. Fun. Mater., Nano-Micro Lett., Energy Storage Mater.(2篇), Small (2篇), J. Energy Chem. (2篇), Chem. Eng. J. 等高水平期刊发表SCI论文30余篇，总引用1750余次，H因子22。受邀担任EcoEnergy期刊青年编委。个人网页：https://www.researchgate.net/profile/Yi-Zhao-175