青岛大学李洪森教授Nano Lett.观点：原子协同催化助力高性能水系锌-碘电池

第一作者：刘清山，王世鑫

通讯作者：李洪森*

单位：青岛大学

由于水系锌-碘电池具有理想的能量密度（理论上为272 Wh kg^-1）、高地球丰度（海水中碘含量为50-60 μg_iodine L^-1）、安全和环境友好性的优势，成为目前锂离子电池的一种有前途的替代品，可用于便携式电子设备和电网规模的储能。锌-碘体系避免了嵌入型材料的晶格畸变和结构崩溃，并且在水溶液中可以实现可逆的I₂/I^-双电子反应和更高的工作电压（约为 1.29V）。因此，锌-碘电池在科学界引起了极大的关注。然而，一些固有的缺陷，包括I₂固有的导电性差和亲水性多碘化物中间体（I₅^-和I₃^-）在电极上的穿梭，导致较差的库仑效率和寿命，此外，缓慢的I₃^-和I₅^-转化动力学限制了其倍率性能，严重影响了锌-碘电池的实际性能。

基于此，来自青岛大学的李洪森教授在国际知名期刊《Nano Letters》上发表题为“Atomic Synergy Catalysis Enables High-Performing Aqueous Zinc-Iodine Batteries”的观点文章，该观点文章详细阐述了半金属硒单原子（Se SAs）位点和石墨N位点之间的协同作用在水系锌-碘电池中的作用，并对其内在机理做出解释。在此，将原子分散的Se SAs嵌入ZIF-8衍生的氮掺杂碳中。这一设计不仅触发了I₂的快速氧化还原转化，还增强了多碘化物的锚定，从而实现了Zn-I₂电池的优异寿命和倍率性能。具体而言，碳上的Se SAs和石墨N双活性位点通过调节转化能垒，实现了I⁰/I^-对的快速转化反应，这一结果在原位测试与密度泛函理论分析相结合的研究中得到了证实。本研究展示了原子协同作用在促进碘物种可逆转化中的应用，并为设计下一代水系锌-碘电池的高效I₂宿主提供了宝贵的见解。

本文首次在水系锌-碘电池体系中探索了由ZIF-8衍生的、锚定半金属Se SAs位点的碳纳米材料对于碘催化转化的作用，通过多种测试表征了Se SAs的合成以及石墨N的的分布。其中Se SAs位点以C-Se-C的结构分布于缺陷处和边缘，其形成促进了多碘化物中间体的还原。同时，石墨N有利于多碘化物的吸附，并改善碘的转化反应动力学。Se SAs位点的存在和石墨N水平的升高将对碘的吸附和催化活性产生积极影响，从而可能抑制中间体的形成。

图1 制备流程图。

图2. 形貌及结构表征。

要点二：双活性位实现快速转化反应并抑制多碘化物的穿梭效应

多种电化学测试表明，组装有I₂@SeSANC-900正极的电池表现出明显优势的电化学反应动力学和离子扩散速率。此外，进一步通过实验验证所合成的三种催化剂中SeSA-NC-900相比于其他两个电极拥有最优的多碘化物中间体吸附能力，表明其在充放电过程中能够有效抑制穿梭效应的发生。所组装的电池表现出了优异的倍率性能和更稳定的循环过程，与其他文中列举的金属-碘电池相比具有明显的优势。

图3. 动力学和吸附性能测试。

图4 电化学性能。

要点三：原子协同催化机制探究

利用原位测试技术研究了在充放电过程中的I⁰/I^-转化机制。在充放电过程中，正极侧实现了高度可逆的I^-/I₃^-/I₅^-/I₂转变过程。基于上述电化学数据和计算结果分析，Se SAs位点与石墨N位点之间的协同效应在I⁰/I^-偶联转化反应机制中起着至关重要的作用。双活性位点的存在协同降低了速率决定步骤的活化能垒，从而显著提高了碘氧化还原动力学。另外，Se SAs位点和石墨N位点的存在增强了物理化学协同限制作用，有效促进了活性位点对多碘化物中间体的吸附，并且抑制了多碘化物中间体的积累和穿梭，从而实现了高循环稳定性和长寿命的水系锌-碘电池。

图5 碘转化机理及协同催化机制分析。

Atomic Synergy Catalysis Enables High-Performing Aqueous Zinc-Iodine Batteries.

李洪森，青岛大学教授、博士生导师、山东省“泰山学者”青年专家，山东省优青、山东省高校优秀青年创新团队负责人。近年来一直致力于界面电荷储能机制研究与应用研究，以通讯或第一作者身份在国际高水平期刊发表论文50余篇，包括Nat. Mater.、PNAS（2）、Nat. Commun.、 Adv. Mater. （4）、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci. （2）、Nano Lett.（3）、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.（2）、Adv. Sci等，担任了Nano Res.、Nano Res. Energy、Carbon Energy、Chinese Chem. Lett.、Adv. Powder Mater.、Int. J. Min. Met. Mater.等期刊青年编委。