长春理工大学王昕璐副教授、东北师范大学刘东涛教授CEJ：碘限域多孔三嗪框架实现超稳定水系锌碘电池

第一作者：孙宇

通讯作者：王昕璐*，刘东涛*

通讯单位：长春理工大学，东北师范大学

水系锌碘电池虽具备大规模储能潜力，却受困于多碘化物穿梭效应导致的容量衰减问题。传统碳基载体因作用力不足难以有效固定碘物种，而新兴多孔框架材料（MOFs/COFs/PAFs）又面临结构稳定性与合成工艺的制约。三嗪基多孔框架通过物理限域与化学吸附协同作用展现出卓越的碘固定能力，但现有研究集中于刚性晶体材料，限制了离子传输效率。之前的研究表明，具有多孔结构的非晶态三嗪框架兼具机械柔性与高离子电导率，能有效缓解体积应变并建立连续离子通道，然而其作为锌碘电池碘宿主材料的研究仍鲜有报道。

基于此，长春理工大学王昕璐副教授与东北师范大学刘东涛教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Iodine-confined porous covalent triazine frameworks enable ultra-stable aqueous zinc-iodine batteries”的研究论文。该论文通过调控对苯二腈与ZnCl₂的摩尔比，采用离子热策略成功合成了一种非晶态三嗪基多孔有机框架（ACTF）。该材料具有多孔网络结构、高比表面积和丰富的缺电子三嗪单元，能实现对碘物种的卓越限域。当作为水系锌碘电池正极时，I₂@ACTF电极在4 A g^-1电流密度下实现了50,000次超长循环稳定性，且组装的柔性软包电池即使在机械损伤条件下仍能稳定工作，展现出实际应用潜力。这项工作通过三嗪基多孔有机框架的非晶态工程，为构建高稳定性碘宿主材料提供了创新思路，为下一代锌碘电池的发展开辟了新途径。

首先，作者通过ZnCl₂催化的离子热反应合成非晶态三嗪框架（ACTF），并通过调控对苯二腈与ZnCl₂的摩尔比（1:5）成功实现从晶体框架（CCTF）向非晶结构的转变。XRD图谱显示ACTF呈宽化衍射峰，证实其非晶特性，而26.2°处的宽峰与SEM图像均表明材料存在层状堆叠结构。元素分布分析证实碳、氮均匀分布，FT-IR光谱显示腈基完全转化为三嗪环结构。氮气吸附测试表明ACTF具有1048 m² g^-1的比表面积和0.5-2.0 nm的微孔分布，展现出典型的多孔特征。

作者通过碘吸附实验与多种表征手段，证实了非晶态三嗪框架（ACTF）具有卓越的碘捕获与固定能力。在碘溶液吸附测试中，ACTF体系接近完全褪色，其对I₃⁻的特征紫外吸收峰衰减效率，显著优于晶体材料（CCTF）。热重分析表明，ACTF载碘显示出显著增强的热稳定性。XPS分析证实，ACTF中的缺电子三嗪环与碘之间发生了强烈的化学相互作用，成功将碘固定并转化为I₃⁻和I₅⁻物种。这些结果共同揭示了ACTF通过其多孔结构实现物理限域，并凭借其电子缺陷特性实现化学吸附，从而实现了对碘物种的高效稳定固定。

作者通过电化学测试表明，以I₂@ACTF为正极的锌碘电池展现出优异的反应动力学和倍率性能。循环伏安测试中，I₂@ACTF电极相比晶体材料具有更低的极化电压（57 mV）和更尖锐的氧化还原峰，表明其更高的电催化活性。电化学阻抗谱进一步证实其电荷转移电阻显著降低至67.8 Ω，促进了更高效的电荷传输。在倍率性能测试中，该电极在0.1至2 A g-1的不同电流密度下均表现出卓越的容量保持率，当电流密度恢复至0.1 A g⁻¹时，容量可恢复至初始值的97%，展现出出色的可逆性。恒电流充放电曲线也显示出更低的过电位。这些优异的电化学性能源于ACTF的非晶多孔框架结构，它能有效限制多碘化物穿梭、加速电荷转移，从而显著提升氧化还原反应动力学。

作者通过全电池测试证明I₂@ACTF正极具有卓越的自放电抑制能力和超长循环寿命。电池在95小时内自放电率低至0.42 mV h-1，且在静置96小时后仍保持近乎满容量，库仑效率稳定在99.9%。在长期循环测试中，I₂@ACTF在1 A g-1下循环5,000次后容量保持129 mAh g-1，远优于晶体材料。更令人瞩目的是，在4 A g-1的高电流密度下实现了50,000次超长循环，且平均每圈容量衰减仅0.046%。组装的柔性软包电池在180度弯曲甚至机械损伤后仍能稳定工作并点亮LED，展现出优异的机械柔性和实际应用潜力。这些结果充分验证了非晶三嗪框架在构建高性能、长寿命柔性锌碘电池方面的独特优势。

作者通过电化学动力学分析表明，I₂@ACTF电极的电荷存储以电容控制为主，在1.0 mV s-1扫描速率下电容贡献高达97%，这直接解释了其优异的倍率性能。GITT测试证实非晶多孔结构显著提升了Zn2+扩散速率。通过原位拉曼光谱观察到充放电过程中I5-/I3-物种的可逆转化过程。DFT理论计算进一步揭示，三嗪框架对多碘化物存在强吸附能力，能有效锚定高阶多碘化物；态密度分析表明吸附后体系费米能级附近电子密度增加、能隙缩小，证实了碘物种与三嗪框架间显著的轨道杂化和电荷转移，从而共同促进了快速碘转化动力学并抑制穿梭效应。

Iodine-confined porous covalent triazine frameworks enable ultra-stable aqueous zinc-iodine batteries

王昕璐老师简介：2012年博士毕业于中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验室，师从王立民研究员，曾在美国伊利诺伊大学香槟分校从事访学研究。2013年加入长春理工大学，现为化学与环境工程学院副教授，硕士生导师，主要从事二次电池中电极材料/电解质的设计、制备与应用基础研究，主持多项省部级科研项目，相关结果在 Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater. ,  J. Energy Chem. , Chem. Eng. J. 等期刊上发表论文60余篇。

刘东涛老师简介：2012年01月在中科院长春应化所获得高分子化学与物理专业博士学位；2012年02月至2019年11月在中科院长春应化所高分子物理与化学国家重点实验室工作，历任助理研究员/副研究员；2019年12月入职东北师范大学化学学院，教授/博士生导师。近年来，在新型多孔有机聚合物的构筑与应用、极性烯烃高立构选择性均(共)聚合等领域取得一系列创新性研究成果，相关结果在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catalysis, Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Macromolecules等期刊上发表论文60余篇，被Nat. Rev. Chem., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc.等期刊引用2000余次。作为项目负责人主持国家自然科学基金项目4项，主持吉林省科技厅项目3项，主持中央高校科研业务费”青年人才支持计划“重点培育项目1项，主持东北师范大学人才引进科研启动项目1项，主持高分子物理与化学国家重点实验室自主课题3项。2022年入选吉林省第八批拔尖创新人才。近年来在国内外相关学术会议上做邀请/口头报告20余次。