研究背景

碘的高度可逆转化反应赋予锌碘（Zn−I₂）电池稳定的放电平台（1.0−1.6 V）、良好的倍率性能和功率密度。因此，Zn−I₂电池在成本、功率密度、特别是长寿命方面具有显着优势，使其成为电化学储能的有力候选者。然而，I₂和I⁻之间的转化是逐步进行的，并会产生多碘化物中间体。在Zn−I₂电池的循环过程中多碘穿梭导致严重的锌腐蚀、活性材料的损失和循环寿命的缩短。为了解决这些问题，已有研究设计了主体材料来吸附多碘化物或催化剂来加速I⁰和I⁻的转化，以减少多碘化物的穿梭。一般来说，Zn−I₂电池主要为无机催化剂，包括金属氧化物、贵金属和金属有机骨架。然而，这些催化剂仍然面临催化活性不足、循环过程中不稳定、制备过程复杂且昂贵等问题，这些问题阻碍了它们在长寿命Zn−I₂电池中的应用。最近，分子催化剂常用于电化学催化如电化学二氧化碳（CO₂）还原和氧（O₂）氧化还原反应中，并表现出高活性、可调节性和特异性，这意味着分子催化剂在Zn−I₂电池中碘/多碘化物的转化方面以及其他转化型电池中有着巨大的催化潜力。

文章简介

近期，我们首次提出了分子催化剂——氯化血红素（Hemin）在锌碘电池中的应用，实现了62000圈的超长寿命。氯化（卟啉）铁(III)（即氯化血红素，Hemin，简称血红素）是一种低成本、无毒的天然分子，其五配位结构的Fe原子是亲电性的，易与带负电荷的碘/多碘离子相互作用。本文结合实验研究与密度泛函理论计算，揭示了血红素有效地减少了I₃⁻的生成水平，抑制了多碘的穿梭，并加速了I₅⁻/I⁻转化反应。具有血红素催化的Zn−I₂电池实现了高库仑效率（CE）（∼99.9%）和超长的循环稳定性（62000次循环，每圈0.00052%的衰减率和稳定的放电平台）。分子催化的使用使得Zn−I₂电池具有超长的寿命，开辟了一条实现长寿命电化学储能的新途径。

其成果以题为“Molecular Catalysis Enables Fast Polyiodide Conversion for Exceptionally Long-Life Zinc−Iodine Batteries”在国际知名期刊ACS Energy Lett.上发表。

文章要点

一、血红素对碘物种的吸附抑制多碘穿梭：血红素对碘物种的吸附作用，抑制了Zn−I2电池循环过程中碘物种尤其是多碘离子向负极的穿梭，缓解了多碘离子对负极的腐蚀作用，实现超长的循环稳定性（62000次循环）的长寿命Zn−I₂电池。

二、血红素对碘物种转化的催化加快反应动力学：血红素中的Fe位点对碘物种的催化作用加快了循环过程中I₅⁻/I⁻转化的反应动力学，提高了Zn−I₂电池循环过程中的CE（~99.9%，10 A g⁻¹）和循环稳定性。

文章链接

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00992

第一作者简介

陈梓慧，天津大学化工学院2022级硕士生，导师为杨春鹏教授，本科毕业于中央民族大学。致力于长寿命水系锌碘电池正极材料研究，以解决锌碘电池中多碘穿梭及能量密度低等问题，实现高性能水系锌离子电池。

2024-05-23