安徽大学鹿可&袁玉鹏，ChemSci：水系Fe-I2电化学中碘氧化还原动力学的双向操纵

作者单位：安徽大学

水系二次电池具有高安全性和环境友好性的本质，是大规模储能技术的理想选择。使用Fe2+作为电荷载体的铁金属电池由于其容量高、原材料丰富、价格极低、氧化还原电位低等优点引起了科学家的兴趣。然而，铁离子与插入型阴极晶格之间的强静电相互作用使得其容量和循环稳定性不理想。因此，将基于转换化学的正极与铁金属负极耦合为实现先进的水铁电池提供了一个有希望的选择。在转换正极候选材料中，碘正极因其高氧化还原电位和高天然丰度而具有吸引力。但活性物质的溶解、FeI₂的高活化势垒以及碘缓慢的氧化还原动力学阻碍了Fe-I₂电化学的进一步发展。因此，迫切需要开发一种具有双向催化活性的功能载体来解决上述问题，实现可操纵的双向碘氧化还原过程。

近日，安徽大学鹿可课题组与袁玉鹏教授合作在国际知名期刊Chemicle Science 上发表题为“Bidirectional Manipulation of Iodine Redox Kinetics in Aqueous Fe-I₂ Electrochemistry”的论文。该文章设计了具有双向催化活性的核壳结构功能载体，加速了电池动态循环过程中FeI₂的形成和分解。同时，碳壳将I₂、FeI₂限制在碳壳中。原位和非原位分析证实，该功能基体能够增强I₂/ FeI₂氧化还原对的转化动力学。此外，还展示了一个稳定的pouch cell，其能量密度为146 Wh kgiodine^-1。死后分析表明，Fe-I₂电池的容量衰减主要源于正极降解，而不是死碘的积累。

作者采用原位聚合法和热解法制备了核壳结构功能载体（FeP-NPC-CC）。在碳壳中掺杂了磷化铁和氮、磷双原子，将碘元素限制在催化碳壳中，在提升催化活性的同时有效减少了碘在电极反应过程中的损失。

作者采用热重法、紫外可见吸收光谱、XPS分析、循环伏安法针对碘电极进行分析，揭示FeP-NPC-CC功能载体在氧化还原过程中发挥的作用。即在功能载体中FeP与NPC具有协同作用，使载体对碘的吸附能力增强，同时使碘的稳定性显著增强，使电池具有更好的循环稳定性。

作者通过恒流充放电实验，验证了FeP-NPC-CC功能载体可以有效地提高碘的利用率。此外，采用原位拉曼光谱法，验证了碘在FeP-NPC-CC功能载体中可进行一步可逆转化。

Fe-I₂电化学中碘氧化还原转化通过一步进行。通过循环伏安法以及计算Tafel斜率，明晰了在充电过程中FeP起主要催化作用，而在放电过程中NPC起主要催化作用，二者的协同作用使得电化学性能显著提升。

在长循环放电中，I₂/FeP-NPC-CC//Fe电池中FeI₂的积累明显减少，具有优异的稳定性。同时，在降解机制的研究中发现，I₂/FeP-NPC-CC//Fe电池的容量衰减主要原因在于Fe阳极，而I₂/CC//Fe电池容量衰减主要原因在I₂阴极，这进一步验证了FeP-NPC-CC功能载体的优异。此外，作者制备了实用的I₂/FeP-NPC-CC//Fe软包电池，具有优良的循环稳定性。

Weiwei Zhang1, Mingli Wang1, Hong Zhang*, Lin Fu, Wenli Zhang, Yupeng Yuan(袁玉鹏)*, and Ke Lu(鹿可)*,Bidirectional Manipulation of Iodine Redox Kinetics in Aqueous Fe-I₂ Electrochemistry, Chem. Sci., 2023.

鹿可，安徽大学教授，江苏省姑苏创业领军人才。2018年在山东大学获得博士学位(导师:马厚义教授)；2017年到2018年，在同济大学进行固态锂/钠电池项目博士联培(导师:黄云辉教授/罗巍教授)；2018年到2020年，在美国Northern Illinois University/Argonne National Laboratory从事博士后研究。在CCS Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed. (2)、ACS Nano (3)、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater. (4)、Chem. Sci. (3)、Energy Storage Mater.、Small.、 J. Mater. Chem. A (6)等期刊上发表SCI论文80余篇。

袁玉鹏，安徽大学化学化工学院博士生导师，安徽省“WJ学者”特聘教授，安徽省学术和技术带头人后备人选，安徽省自然科学基金杰出青年项目主持人。先后于合肥工业大学获得学士学位（2002）和硕士学位（2005，导师刘宁教授），南京大学获得博士学位（2008，导师邹志刚院士）。长期从事光催化制氢方向的研究。主持国家自然科学基金、安徽省自然科学基金杰出青年项目等研究课题10余项，以第一或通讯作者在Angew.Chem. Int. Ed., EnergyEnviron. Sci.等期刊发表论文40余篇。主编英文学术专著一本。

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