东北师范大学刘炳求、李鹿AFM：多位点高熵材料助力全碘物种锚定以实现高性能锌碘电池

Multi-site high-entropy immobilizer for all-iodine species fixation in high-performance zinc-iodine batteries

近日，来自东北师范大学刘炳求/李鹿/王春刚团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Multi-site high-entropy immobilizer for all-iodine species fixation in high-performance zinc-iodine batteries”的观点文章。该观点文章开发了以高熵材料作为碘物种的化学固定剂。

利用高熵材料优异的催化活性，多碘化物实现了加速的催化转化和化学吸附。与此同时，高熵材料的多活性吸附中心的分布特征，使得其上分布的丰富的活性位点可以将高溶解和难固定的I-以化学成键的方式锚定在其上。这种独特的键合模式使得全部碘物种（I₂/I^-/I^3-）可以被牢固的固定在电极表面，进一步提升了可充电Zn-I₂电池利用的有效性和可逆性。

图1. a） CFP/HEO-I₂的合成示意图。b，c） CFP/HEO的扫描电子显微镜（SEM）图像；d） CFP/HEO的透射电子显微镜（TEM）图像。e） CFP/HEO的放大高分辨率TEM（HR-TEM）图像。f） CFP/HEO的TEM图像及相应的元素分布图，包括C、O、Yb、Er、Zr、Ho和Y。g） CFP/HEO的X射线衍射（XRD）Rietveld精修图谱。h） 通过理论模拟获得的CFP/HEO晶体结构。

图2. a） CFP/HEO-I₂和CFP/Yb₂O₃-I₂的循环伏安（CV）曲线。b） CFP/HEO-I₂和CFP/Yb₂O₃-I₂的恒电流充放电（GCD）曲线。c） CFP/HEO-I₂和CFP/Yb₂O₃-I₂的倍率性能对比。d） 不同扫描速率下的CV曲线。e） Log（i）-log（v） 图。f） CFP/HEO-I₂的电容贡献和扩散贡献。g） I₂还原的阿伦尼乌斯图。h） I₂在CFP/HEO上的恒电位沉积曲线。i） I₂沉积后CFP/HEO的原子力显微镜（AFM）图像。

图3. a） 放电/充电后的CFP/HEO-I₂、初始CFP/HEO和Yb₂O₃的XANES光谱。b） 放电/充电后的CFP/HEO-I₂、初始CFP/HEO和Yb₂O₃的FT-EXAFS光谱。c） 放电CFP/HEO-I₂、充电CFP/HEO-I₂、初始CFP/HEO和Yb₂O₃的小波变换k³加权EXAFS光谱。d） Y，Ho；e） Er；f） Zr，Yb不同充放电电压下的XPS光谱。I⁻、I₂和I₃⁻溶液在g） CFP/HEO，h） CFP/Yb₂O₃锚固前后的UV–vis光谱。i） CFP/Yb₂O₃和CFP/HEO对I₂和I₃⁻的吸附实验（左侧为CFP/Yb₂O₃，右侧为CFP/HEO）。j） CFP/HEO-I⁻和CFP/Yb₂O₃-I⁻、k） CFP/HEO-I₂和CFP/Yb₂O₃-I₂、l） CFP/HEO-I₃⁻和CFP/Yb₂O₃-I₃⁻洗涤不同次数后的UV–vis光谱。m） 穿梭实验。n） CFP/HEO-I₂不同循环次数后的I⁻电解质的UV–vis光谱和o） 相应的循环性能。

图4. a） CFP/HEO-I₂和b） CFP/Yb₂O₃-I₂的原位拉曼光谱。c） CFP/HEO-I₂和d） CFP/Yb₂O₃-I₂的原位UV–vis光谱。e） I₂还原反应的吉布斯自由能。f） I₃⁻的解离动力学。g） 各种金属-I⁻键的ICOHP和h） COHP。i） HEO和Yb₂O₃与I⁻、I₂和I₃⁻的结合能。j） HEO维持Zn-I₂电池稳定性的机制。

图5. 高性能Zn-I₂全电池。（a） 0.5 A/g电流密度下的循环性能。（b） 10 A/g电流密度下的循环性能。（c） 该研究与其他先前研究的长期循环性能对比。（d） 高质量负载（10.2 mg/cm²）下的循环性能。CFP/Yb₂O₃-I₂和CFP/HEO-I₂完全充电后（e）和放电后（f）的电压变化。（g） 展示柔性软包电池成功为电器供电的光学照片。（h） 柔性软包电池在不同弯曲状态下的开路电压和（i） 循环性能。（j） 柔性集成微电池的光学照片。（k） 柔性集成微电池在不同弯曲状态下的开路电压。（l） 集成微电池长时间为定时器供电

•首次开发了以高熵材料作为碘的全部物种（I₂/I^-/I^3-）的化学锚定剂。

•高熵材料的高催化活性加速碘的多电子转移的反应速率，进而完成快速和高效的碘转化反应。

•高熵策略化学固定碘的全部物种，不仅为实现高性能锌碘电池提供了新的解决方案，而且进一步拓宽了高熵材料在未来的应用方向。

https://doi.org/10.1002/adfm.202419821

团队带头人：王春刚，东北师范大学教授，围绕纳米电极材料的开发及其在能源领域和生物方向研究，包括纳米材料的可控制备、结构表征、储能机制分析、电化学性能提升等方面，及器件在水系锌/钾离子电池的应用以及锂/钠/钾离子电池的研究工作。入选教育部新世纪优秀人才支持计划。至今以第一/通讯作者在Angew、CCS Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Small等国际高水平期刊发表SCI论文80余篇。

李鹿，东北师范大学副教授，以第一/通讯作者在Angew、CCS Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Small等国际高水平期刊发表SCI论文50余篇.

刘炳求，东北师范大学讲师，以第一/通讯作者在CCS Chem.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Energy Storage Mater.等国际高水平期刊发表SCI论文20余篇.

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