四川大学吉俊懿教授团队AFM：界面缺陷工程ZIF衍生碳宿主材料助力长寿命水系锌-碘电池

水系锌碘（Zn-I₂）电池因高容量、高安全性和低成本被视为潜在的理想储能体系，但其产业化受限于聚碘化物穿梭效应引发的容量快速衰减。传统碳宿主材料因非极性表面对碘物种的物理化学作用薄弱，难以有效抑制穿梭效应。ZIF衍生碳虽因自掺杂杂原子与金属簇而具碘吸附潜力，但传统高温碳化致碳基质过度稳定而影响吸附能力。因此，本研究提出低温空气预活化协同双金属策略，构建界面的ZIF衍生碳（NZ-aNC）。低温预活化破坏部分前驱体配位键，诱导高温碳化样品产生丰富不饱和位点并调变微孔尺寸，从而强化碘分子动态锚定；Ni/Zn暴露并石墨化程度，加速氧化还原动力学。通过缺陷与催化位点的协同机制，为同时抑制穿梭效应和提升反应效率提供了新思路。

近日，四川大学吉俊懿教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Defect-Engineered ZIF-Derived Carbon Hosts for Long-Life Aqueous Zinc-Iodine Batteries”的研究性论文。本研究通过低温空气预活化与高温碳化策略，构筑了界面富缺陷的ZIF碳框架（NZ-aNC）。该设计通过低温预活化阶段破坏前驱体金属配位键，诱导产生丰富不饱和配位位点与扩增微孔结构，精准匹配碘分子尺寸以实现动态锚定；同步利用Ni/Zn双金属促进碳骨架石墨化并暴露催化活性位点，在强化碘吸附限域能力的同时显著加速氧化还原动力学。基于该材料的Zn//I₂电池测试中，NZ-aNC@I₂正极在5 A g^-1电流密度下初始比容量达219 mAh g^-1，经过20000次循环后容量保持率仍高达95%。

在合成NZ-ZIF前驱体基础上，空气低温预活化处理驱动了关键结构演化：促使金属配位键断裂并引发框架重构，显著调变后续碳化产物形貌，NZ-aNC因表面塌陷形成独特凹四面体结构，大幅暴露金属活性位以增强碘吸附与转化能力。此外，NZ-aNC具有金属原子高度分散的均匀多孔结构，且预活化能够诱导前驱体部分晶格降解，通过表面氧化与热应力协同触发结构重组，从而精准调控碳载体缺陷密度与孔径分布。得益于金属暴露催化的高石墨化表面，NZ-aNC实现高缺陷密度、高导电性与扩增的微/介孔结构，其孔径与碘物种分子尺寸更匹配，为高效限域提供理想载体环境。

在5 A g^-1电流密度下，NZ-aNC@I₂正极表现出稳定的比容量，20000次循环后容量保持率高达95%；相比之下，NZ-NC@I₂初始比容量较低且随着循环次数增加显著下降。此外，通过调控碳化温度制备的高缺陷浓度或高石墨化程度阴极表现出较差的循环稳定性，这突显了精准调控碳载体表面特性以平衡缺陷密度与石墨化程度的重要性。充电后静置48小时再放电时，NZ-aNC@I₂正极表现出较低的自放电行为，库仑效率高达84.3%，显著优于NZ-NC@I₂（71.4%）。与近期文献报道相比，NZ-aNC@I₂正极在长循环寿命、比容量以及能量和功率密度方面均表现出色。

高效吸附与转化碘物种是实现Zn//I₂电池长期稳定运行的关键。TGA和XPS证明NZ-aNC与碘分子具有更强的界面相互作用，从而有望实现分子的表面吸附与转化。通过原位测试证明Zn//I₂电池长期运行过程的界面行为：原位UV–vis证明，NZ-aNC@I₂展现出对I3⁻物种更高效的催化转化能力和优异的穿梭抑制效果，而NZ-NC@I₂对碘物种的吸附和转化能力较差；原位拉曼进一步证实，NZ-aNC@I₂能够快速利用并转化活性物种，从而有效避免副反应的发生，而NZ-NC@I₂的碘转化效率较低。经过500次循环后，NZ-NC@I₂电池的锌负极因多碘化物穿梭效应而出现严重腐蚀，而NZ-aNC@I₂电池锌负极表面未见明显腐蚀现象。因此，NZ-aNC相较于NZ-NC的优势机制：通过引入缺陷位点、优化微孔结构以及利用暴露的金属残余物协同作用，NZ-aNC显著增强了对碘物种的限制能力，并促进了多碘化物的高效可逆转化，从而有效抑制离子穿梭效应，显著提升电池的循环稳定性。