浙农林/浙师大胡勇团队AEM：基于闭环碘-氧电化学的中性高可逆锌空气杂化电池

第一作者：陈杰，李婉芳

通讯作者：颜磊*，李世坤*，徐竹莹*，胡勇*

单位：浙江农林大学，浙江师范大学，新疆大学

中性锌空气电池因其优异的枝晶抑制和抗碳酸化能力，在下一代储能系统中展现出巨大潜力，然而其实际应用受限于绝缘性放电产物的不可逆积累和缓慢的氧反应动力学所导致的高过电位。为了应对这一问题，该工作提出了一种基于闭环碘-氧循环机制的新型电化学反应路径，并设计制备了锚定于分级多孔碳基底的FeN纳米颗粒（FeN-HNPC）多功能电催化剂，用于同时催化氧还原反应（ORR）与碘氧化/还原反应（IOR/IRR）。实验表征与理论计算表明，该催化剂通过离子-界面协同效应有效调控反应路径，利用其独特的蜂窝状介孔-大孔分级结构构建空间限域反应微环境，可选择性容纳绝缘性放电产物碱式碳酸锌（ZHA），从而稳定固-液-气三相界面并促进电荷传输。引入的KI添加剂与中性Zn(OAc)₂电解液协同提升了离子电导率并抑制锌枝晶生长。在放电过程中，I₃^–还原产生的I–增强了ORR动力学，提高了放电电压；ORR产生的OH^–进一步与电解液反应生成ZHA。在充电过程中，热力学更有利的低电位IOR主导过程，将I–再生为I₃^–，并分解ZHA释放OH^–；所释放的OH^–随后与I₃^–自发反应再生I–并析出O₂，从而降低充电电压。基于该协同机制，中性锌空气/碘杂化电池（ZAIBs）实现了低充放电电压差（640.1 mV）、高能量效率（54.0%）和超长循环稳定性（在2 mA cm^–2下超过1800小时）。这项研究提出的“介质-催化剂”协同设计策略，为发展高性能中性金属空气电池提供了新路径。

近日，胡勇教授团队在国际知名学术期刊Advanced Energy Materials在线发表研究论文“Closed-Loop Iodine-Oxygen Electrochemistry for High-Reversibility Neutral Zinc–Air Hybrid Batteries”。该工作通过设计一种新型FeN-HNPC多功能电催化剂并利用碘-氧耦合机制，成功实现了高度可逆的中性锌空气/碘杂化电池，显著降低了充电电压、提高了能量效率并延长了循环寿命。

开发了一种锚定于蜂窝状多孔碳的FeN纳米颗粒（FeN-HNPC）作为多功能电催化剂，其在中性及碱性介质中均对ORR、IOR/IRR展现出卓越的催化活性。该催化剂独特的多孔结构不仅能有效限域放电产生的绝缘性副产物ZHA，还稳定了气-液-固三相界面，从而缓解了副产物对电荷转移动力学和电池稳定性的不利影响。

揭示了一个高度可逆的碘-氧耦合氧化还原机制。在放电过程中，I₃^–还原产生的I^–增强了ORR动力学，提高了放电电压；ORR产生的OH^–进一步与电解液反应生成ZHA。在充电过程中，热力学更有利的低电位IOR主导过程，将I–再生为I₃^–，并分解ZHA释放OH^–；所释放的OH^–随后与I₃^–自发反应再生I–并析出O₂，从而降低充电电压，形成了一个闭合的循环。该机制规避了缓慢的析氧反应（OER），是实现低充电电压的关键。

构建的中性ZAIBs实现了低充放电电压差（640.1 mV），从而获得了高达54.0%的能量效率。同时，电池展现出超长的循环寿命，在2 mA cm^–2的电流密度下稳定运行超过1800小时，凸显了其优异的循环稳定性。

Closed-Loop Iodine-Oxygen Electrochemistry for High-Reversibility Neutral Zinc–Air Hybrid Batteries

胡勇教授：二级教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，省级杰出人才，省有突出贡献中青年专家，俄罗斯自然科学院外籍院士。主要从事于先进功能材料与无机合成化学的基础研究，在无机纳米复合结构的构筑方法、组装设计、基于微结构的性能表征、应用探索及协同增强效应等方面取得一定的研究进展。设计合成了一系列新型、高效、具有应用前景的光电功能纳米复合材料，开展了不同类型的异质功能纳米复合材料的可控合成、功能优化及协同增强效应研究。目前已发表SCI论文190余篇 (其中IF>10, 共85篇)，H因子70，入选科睿唯安2022年度全球“高被引科学家”。其中以通讯作者身份在化学、材料领域国际重要期刊，如：Nat. Commun. (2) , Chem (1), Angew. Chem. Int. Ed. (7), Energy Environ. Sci. (2), Adv. Mater. (1), Adv. Energy Mater. (7), Adv. Funct. Mater. (2), ACS Nano (1), ACS Catal. (4), Nano Energy (2), Carbon Energy (2), J. Energy Chem. (2), Small (7), Small Sci. (2), J. Mater. Chem. A (14), Appl. Catal. B-Environ. (9), Chem. Eng. J. (11), Adv. Sci. (1), Adv. Powder Mater. (1), Energy Storage Mater. (1), Mater. Horiz. (1), Compos. Part B (1), Coord. Chem. Rev. (4)等上面发表一系列文章，34篇入选ESI高被引论文，8篇入选热点论文，1篇入选2018年中国百篇最具影响国际学术论文，撰写英文著作章节3篇，获得授权发明专利20件，并推动1件专利产业化。主持并完成多项国家自然科学基金和浙江省杰出青年基金，作为第一完成人获中国发明协会创业奖创新奖（一等奖）1项、浙江省自然科学二等奖2项、浙江省高等学校科研成果奖三等奖1项、中国产学研合作创新奖（个人）1项。作为第一指导教师获第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖1项、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1项，被中国共产主义青年团中央委员会评为优秀指导教师并予以通报表扬。目前担任《Advanced Powder Materials》特邀编委以及多种国际一流期刊审稿人。