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浙师大王海燕副教授、焦杨副教授Coord. Chem. Rev. 综述：锌碘电池中的电催化剂：理论见解与材料设计

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2025-07-21

导读：浙师大王海燕副教授、焦杨副教授Coord. Chem. Rev. 综述：锌碘电池中的电催化剂：理论见解与材料设计

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文章信息

锌碘电池中的电催化剂：理论见解与材料设计

第一作者：王雯清，李日辉，徐新叶

通讯作者：杨剑*，焦杨*，王海燕*

单位：浙江师范大学

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研究背景

锌碘（Zn-I₂）电池具有显著的优势，受到广泛关注。首先，构成电池的锌和碘元素资源丰富、易于获取且成本低廉。其次，锌和碘都具有很高的理论比容量，这有助于实现高能量密度。此外， Zn-I₂电池使用水系电解质，这不仅简化了组装过程、降低了制造成本，还能有效降低爆炸风险并解决安全隐患。然而，Zn-I₂电池也面临着一些挑战。例如，碘正极导电性差且热稳定性不佳，这会严重加剧电池极化，并导致活性物质损失。此外，缓慢的碘转化动力学和严重的穿梭效应是阻碍Zn-I₂电池发展的关键难题。聚碘离子的穿梭还会加剧锌负极的腐蚀，进一步影响电池的倍率性能和循环性能。同时，锌负极上出现的锌枝晶、析氢反应、钝化以及严重的副反应，也常常限制了电池的库仑效率（CE）和使用寿命。通过引入电催化剂能够有效加速碘快速转化，降低反应能垒，并抑制聚碘离子中间体的穿梭，从而提升Zn-I₂电池的电荷存储性能和循环寿命。因此，系统地综述正极电催化剂的发展至关重要。

图1. 近年来关于Zn-I₂电池的文献数量与典型策略的时间线及代表性研究成果

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文章简介

近日，来自浙江师范大学的王海燕副教授与金华高等研究院杨剑博士和浙师大焦杨副教授合作，在国际知名期刊Coordination Chemistry Reviews上发表题为“Electrocatalysts in zinc iodine batteries: theoretical insights and material design”的综述。该综述从理论研究到催化剂合成的各个方面，系统梳理了当前Zn-I₂电池电催化剂的研究现状和进展。

图2. Zn-I₂电池电催化剂的分类。

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本文要点

要点一：充电和放电过程中的挑战、评价指标、电池结构及反应机制

图3. 用于水系Zn-I₂电池的阴极催化剂的评价标准。

阴极电催化剂的评价标准主要包括电催化动力学行为、多碘化物吸附能力以及全电池的电化学性能。

图4. Zn-I₂电池中碘还原机制的示意图。

碘还原机制仍存在学术争议。对于固态碘正极反应路径，普遍接受的是观点是I₂直接转化为I⁻，在转化过程中会涉及I₃⁻中间产物的生成；另一种是I₂直接转化为I⁻，并不经历 I₃⁻ 的生成。近期研究还发现，通过调控碘正极可实现四电子I⁺/I₂/I⁻转化过程。含碘电解质体系中的碘转化主要包括I⁻/I₃⁻之间直接转化以及I₃⁻和I₅⁻作为中间体的I₂/I⁻之间的转化。此外，通过对含卤素电解液和正极催化剂进行同步的合理设计，可以有效激活I⁺，从而实现I⁻/I₂/I⁺的转化。

要点二：理论见解和电催化剂设计

图5. 杂原子掺杂碳催化剂在Zn-I₂电池中的最新进展。

将杂原子引入碳材料中，可形成多个锚定和催化中心。这些中心能有效促进碘物种的固定、防止聚碘离子的穿梭，同时显著提升碘物种的氧化还原转化的可逆性。然而，如何准确调控杂原子（包括元素组成、空间排列和局部配位环境）以及如何在电子导电性、碘负载量、催化性能和结构稳定性之间实现最佳平衡对于提升碘物种的固定和催化效率具有重要意义。

图6. 无金属大分子化合物在Zn-I₂电池中的最新进展。

大分子化合物中的官能团和共轭结构与聚碘离子具有强相互作用，从而抑制了聚碘离子的溶解和穿梭，促进了碘物种的可逆氧化还原转化。但其固有缺陷，如导电性差、孔隙率低、I₂利用率低等，严重影响了Zn-I₂电池中的氧化还原反应动力学或传质过程。从外，带有电活性基团（如羰基（C=O）和共轭亚胺（C=N））的有机分子，在充放电过程中容易发生原位转变，导致长循环过程中容量衰减。

图7. 金属单/双原子催化剂在Zn-I₂电池中的最新进展。

单原子催化剂（SACs）和双原子催化剂（DACs）凭借其独特的几何和电子特性，能够增强对聚碘离子的吸附能力并降低碘还原反应的反应能垒，从而提升Zn-I₂电池的CE和循环寿命。金属中心及其配位环境对碘转化过程有着重要影响，这决定了反应的动力学行为和电化学可逆性。然而，许多SACs/DACs催化剂成本高昂，且制备工艺复杂，这阻碍了它们的大规模应用。此外，原子级分散的催化剂在充放电过程中容易发生团聚和流失，导致容量衰减。而且，大多数 SACs 和 DACs 主要以微孔结构为主，这可能会限制传质过程，进而影响Zn-I₂电池的性能。

图8. 过渡金属化合物在Zn-I₂电池中的最新进展。

过渡金属化合物可通过化学吸附和物理限域作用，有效抑制聚碘离子的溶解和扩散，从而缓解穿梭效应。此外，通过构建三维多孔、中空、层状或异质结构，有助于暴露更多活性位点并促进电子/离子传输，进而提升倍率性能和循环稳定性。更重要的是，通过精确调控过渡金属中心的价态、电子结构及化学配位环境，可以有效控制碘氧化还原反应的电催化性能、反应能垒以及转化动力学。然而，目前适合Zn-I₂电池阴极催化剂的过渡金属化合物仍然有限，值得开发更多具有精细结构的过渡金属化合物，以增强其对碘氧化还原反应的电催化活性和稳定性。

图9. MOFs在Zn-I₂电池中的最新进展。

金属有机框架(MOFs)中的金属离子已被证明是调节碘物种氧化还原反应的活性催化位点，其展现出优异的反应动力学和催化性能。然而，MOFs的电导率、结构稳定性以及精确调控MOFs中金属中心的配位环境仍然是未来亟待深入探索的问题。

要点三：对Zn-I₂电池阴极电催化剂的总结和展望

阴极载体上电催化位点的合理设计在抑制多碘化物的溶解和催化碘转化方面取得了显著进展。碳基纳米材料与过渡金属化合物等在提升Zn-I₂电池性能方面表现出良好潜力，这些发现为优化材料和电池性能提供了宝贵的理论依据。然而，该领域仍面临若干关键挑战，未来研究应重点关注以下方向：

1. 建立统一的评价标准：由于测试条件存在差异且性能指标的侧重点不同，碘正极催化剂的性能仍缺乏统一的评价标准。建议构建分层评估体系：通过统一实验条件(如电解液组成、电流密度及温度)；考虑催化活性、稳定性与成本效益；并引入实际工况模拟(如高低温循环测试)及工业相关参数(如面容量、能量密度与成本分析)是非常必要的。

2. 开发高性能电催化剂材料：理想的阴极催化剂需兼顾催化活性、多碘化物吸附能力、导电性及结构稳定性。当前针对含碘电解质体系的催化材料研究仍较有限。通过提高碘负载量、稳定I⁺离子、构建混合型电池体系(如锌-碘-锰、锌-碘-溴体系)，并结合机器学习技术加速材料筛选，有望进一步提升电池的能量密度与综合性能。

3. 深化反应机理研究：不同电解质体系与催化剂组合可能引发多样化的碘转化路径，因此亟需系统开展反应机制研究。建议结合多种原位/非原位表征手段(如原位拉曼光谱、紫外-可见光谱、XPS、TOF-SIMS等)与理论计算，全面揭示碘氧化还原过程中的中间产物与反应动力学行为。

4. 推动规模化应用：尽管实验室阶段已开发出多种高性能催化材料，但其在实际应用中仍面临多重限制。一方面，现有研究偏重电化学性能而忽视经济性与可行性，应优先选用低成本、环境友好且制备工艺简化的材料；另一方面，部分材料在放大过程中因结构不稳定等导致性能下降，需进一步考虑其在实际应用(如软包、方型蓄电池)中测试；此外，还需综合评估材料与电解质、阳极之间的兼容性及其在宽温域下的适应性。

综上所述，未来催化剂评估体系应充分考虑成本控制、环境影响及系统兼容性等多维度指标，以有效衔接基础研究与产业化应用，推动Zn-I₂电池技术向实用化发展。

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文章链接

Electrocatalysts in zinc iodine batteries: theoretical insights and material design.

https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.216951

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通讯作者简介

焦杨副教授简介：博士，副教授，硕士研究生导师，全球前2%顶尖科学家（年度榜单），金华市环境保护科学产业联合会环保技术专家。2019年6月获哈尔滨工业大学化学工程与技术博士学位，主要研究兴趣为材料制备及其在电催化制氢、电化学储能、膜分离等领域的应用。目前在Applied Catalysis B: Environ、Nano Energy、Chem. Eng. J.、J. Membrane. Sci.、 J. Mater. Chem. A、J. Colloid Interf. Sci.等国际著名SCI期刊上发表论文90余篇，其中第一/通讯作者身份发表论文40余篇，H指数为35。主持中国博士后面上项目，浙江省自然科学基金项目，教育部产学合作协同育人项目(2项)，金华市科技计划项目(2项)，浙江省重点实验室开放项目(2项)，浙师大地环学院重点实验室开放项目，担任美国科学出版社Energy and Environment Focus期刊副主编，Polymers，Chemosensors，Frontiers in Fuels和Catalysts期刊客座编辑，Adv. Mater.、Applied Catalysis B: Environ、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.、 Sep. Purif. Technol.等几十个期刊的审稿人。入选金华市“百博入企计划”，年度考核优秀。欢迎有兴趣的硕士、博士加盟！也欢迎跨学科报考！诚邀环境能源等方向人员到本团队从事博士后/科研助理研究工作。

王海燕副教授简介：浙江师范大学副教授、硕士生导师，入选2022-2024 年度科睿唯安“全球前2%顶尖科学家”榜单。博士毕业于浙江大学化学系，师从王勇教授。博士期间在中科院金属研究所联合培养，师从李峰研究员。主要从事无机纳米材料的合成和能源存储与转换应用研究，在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Research, Coordin. Chem. Rev., Nano Energy, Energy Storage Mater., ACS Catal., Appl. Catal. B-Environ., Mater. Horiz., Adv. Sci., J Energy Chem., 中国科学材料, 中国化学快报等发表SCI论文60余篇，4篇入选ESI热点论文，11篇入选ESI高被引论文，h-index为38。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、教育部产学研协同育人、金华市重大、金华市重点、企业横向等9项项目。作为主要成员获中国发明协会创业奖创新奖一等奖，作为指导教师获中国国际大学生创新大赛金奖、第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、浙江省国际大学生创新大赛金奖、浙江省第十七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖以及浙江省“互联网+”、”挑战杯“等多项奖项。指导本科生多人次获国家大学生创新创业项目、新苗项目，担任企业科技副总、Carbon Neutralization青年编委、EcoEnergy青年编委、EMET技术委员会委员、Catalysts, Nanomaterials 客座编辑和国内外重要期刊审稿人。