孙轶斐教授、马天翼教授，AFM：用于无穿梭水性锌碘电池的集成“捕获-吸附-催化”纳米反应器

第一作者：朱灵锋

通讯作者：孙轶斐*，马天翼*

单位：北京航空航天大学，澳大利亚皇家墨尔本理工大学

水系锌-碘电池（AZIBs）作为一种新兴的储能技术，因具有低成本、环保性、适宜的输出电压和高效的多电子传输机制等优势而备受关注。然而，AZIBs面临着包括碘导电性差、多碘化物（例如I^3-和I^5-）的穿梭效应以及锌负极不良界面反应等挑战，导致反应动力学不足、库仑/能量效率低下以及容量/循环寿命差。因此，开发具有优异吸附和催化能力的活性中心以及简便、绿色的制备方法，对于优化正极碘利用率、加速“液-固”碘物种之间的可逆转变、实现大规模应用至关重要。最近，过渡金属钴 (Co) 纳米粒子在锂硫电池 (LISB) 中表现出强吸附、高导电性和电催化活性。考虑到相似的氧化还原机制，这些纳米粒子可以作为碘促进剂来加速碘物质的相互转化过程和碘氧化还原动力学。然而，鉴于AZIBs尚处于初步研究阶段，钴基主体材料对碘的吸附和催化电化学转化机理还有待充分阐明。

近日，来自北京航空航天大学的孙轶斐教授与澳大利亚皇家墨尔本理工大学的马天翼教授合作，在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Integrated Trap-Adsorption-Catalysis Nanoreactor for Shuttle-Free Aqueous Zinc-Iodide Batteries”的研究论文。该工作首次引入了一种创新的钴纳米粒子嵌入多孔碳（Co@AC）作为多功能纳米反应器，其构思基于“捕获-吸附-催化”原理。该设计结合了物理捕获、化学吸附和多碘化物/碘电催化转化的多种优点。此外，这种集成设计策略还支持大规模商业应用。原位紫外可见光谱、理论计算和电化学分析证实，Co@AC可以增强碘物质的吸附能力，降低I2/I-双向转换能垒，加速界面电荷转移，从而显著提高电催化性能和碘氧化还原动力学。同时，由于Co@AC强大的多碘化物穿梭抑制效应，Zn负极腐蚀也得到有效抑制。因此，制备的Co@AC/I2正极表现出优异的倍率性能、低自放电率和高能量效率。该研究为推动高性能AZIB的开发提供了一条有希望的途径。

通过简单的浸渍辅助热解策略开发出一种集“捕获-吸附-催化”优势于一体的多功能纳米反应器。这种新颖的结构允许动态转化的碘物种（I₂/I^-/I^3-）首先被捕获在纳米反应器中，然后通过钴纳米粒子进行连续吸附和催化。材料优异的碘物种（I₂、I^-和I^3-）吸附能力是保证快速氧化还原反应动力学的前提。因此，系统地研究了Co@AC主体材料对碘物种的吸附能力，UV及XPS阐明了Co@AC与多碘化物之间的内在化学相互作用。

利用循环伏安法 (CV)、电化学阻抗谱 (EIS) 和塔菲尔测量法系统研究了材料对 Co@AC 基或 AC 基对称电池中碘氧化还原过程的正向电催化作用。CV，EIS和Tafel图表明Co@AC具有优异的催化贡献。恒电位沉积实验进一步证明了Co@AC电极的快速催化活性所带来的增强的 I₂ 成核动力学。值得注意的是，I₂的快速且均匀的沉积为随后的I₂/I^-的快速氧化还原过程创造了有利条件。CV进一步用来研究了Zn离子的扩散速率和评价碘转化反应动力学，以上结果表明，Co@AC可以降低碘物质固液双向转化的反应能垒，促进碘氧化还原反应动力学，抑制多碘化物穿梭，显示出其作为 Zn-I₂ 电池优良碘宿主材料的潜力。

Integrated Trap-Adsorption-Catalysis Nanoreactor for Shuttle-Free Aqueous Zinc-Iodide Batteries

孙轶斐教授简介：海南大学教授（原北京航空航天大学教授），教育部长江学者特聘教授，日本京都大学工学博士。兼任固体废物领域顶刊Waste Manag.副主编，J. Hazard. Mater.、Sci. Total Environ.、Biochar等SCI期刊编委，担任固体回收资源/燃料国际标准化组织ISO/TC300技术委员会、中国环境科学学会固体废物分会等十余个专业委员会副主任委员或委员。长期从事固体废物综合处置利用技术开发、能源转化利用研究，主持建成多项示范工程。主持了国家自然科学基金企业/区域联合基金重点项目，国家重点研发计划课题等共20余项国家级项目。获天津市技术发明一等奖、中国产学研合作创新成果奖一等奖、环境保护科学技术二等奖。在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., ES&T等期刊上发表论文100余篇，授权/转化国家发明专利20余件，公开国际PCT专利2件。

马天翼教授简介：澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授，RMIT原子材料和纳米制造中心主任，英国皇家化学会会士，澳大利亚科研委员会未来学者。主要从事先进功能材料的设计与合成，包括不同纳米结构，多孔结构和多维度材料，以及它们在能源转化与存储器件（金属-空气电池，光/电分解水，可再生燃料电池，高性能电池）方面的应用。主持了来自联邦政府、州政府、大学和企业的多个项目，累计经费超过2100万澳元。已累计发表学术论文400余篇，总被引用37000余次，H因子为93。被评为科睿唯安化学和材料科学两个领域全球高被引科学家，并获得了澳大利亚科学院Le Fèvre奖章、英国皇家化学会John Jeyes等多项奖励。

朱灵锋：北京航空航天大学21级在读博士生，主要研究方向为新型高比能水系电池的开发与储能机制研究