研究背景

水系锌碘（Zn–I₂）电池因其本征安全性高、成本低廉及理论容量大等优点，在大规模储能领域展现出广阔前景。然而，其实际应用受到可溶性多碘化物（如I₃⁻和I₅⁻）“穿梭效应”的严重制约，导致容量快速衰减和循环稳定性差。传统电催化策略多依赖单点催化剂，但碘还原是一个多步耦合过程，各中间产物的吸附能之间存在线性标度关系，导致催化剂的优化陷入“顾此失彼”的困境：加速一个中间体（如*I₃）的吸附/催化过程，往往会过度稳定另一个中间体（如*I₅），反而加剧了穿梭效应。因此，亟需开发能够解耦多步反应吸附能的催化新结构。

文章简介

近日，来自天津大学的杨全红教授、杨春鹏教授与南开大学王卫超教授等人合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为”Redirecting Iodine Reduction Pathways by Decoupling Adsorption Energies for Long-Life Zn–I₂ Batteries”的研究论文。该工作设计并合成了一种具有原子尺度几何不对称性的原子簇催化剂（Atom-Cluster Catalysts， ACCs）。该催化剂由原子级分散的Zn位点与过渡金属（Co、Fe、Ni、Cu）纳米簇耦合而成（Zn₁M构型），锚定在氮掺杂碳骨架上。这种独特的结构能够独立调控碘还原过程中关键中间产物（*I₂、*I₃、*I₅）的吸附能，在几何和电子层面双重抑制长链I₅^-的形成，同时优化了限速步骤I₃^-的还原动力学，从而将反应路径从高能垒的*I₅路径重定向至低能垒的*I₃主导路径，从源头上抑制了多碘化物穿梭。基于Zn₁Co ACCs的锌碘电池在高碘负载（6.5 mg cm^-2）下实现了超过15,000次的长循环寿命（2 A g^-1），衰减率低至每循环0.0014%。

本文要点

1.    采用原子簇催化剂策略，通过构建不对称几何结构的Zn₁M（M=Co, Fe, Ni, Cu）活性位点，成功解耦了碘还原过程中关键中间体（*I₃与*I₅）的吸附能，从而将反应路径从易产生穿梭效应的 *I₂ ⇌ *I₅⇌ *I₃ ⇌ *I 高能路径，重定向至低能垒的 *I₂ ⇌ *I₃ ⇌ *I 主导路径。

2.    理论计算与原位光谱表明，Zn单原子与过渡金属簇在~1 nm尺度内产生的协同催化微环境，既能抑制长链I₅⁻中间体的形成，又能优化*I₃的吸附与活化，从根本上抑制了可溶性聚碘化物（I₃⁻, I₅⁻）的生成与穿梭。催化活性由d带中心与未配对电子数等电子描述符主导，Zn₁Co位于火山图峰值，实现了吸附与动力学的理想平衡。

3.    基于Zn1Co ACCs的Zn–I₂电池展现出卓越的实际应用性能：在6.5 mg cm^-2的高碘负载下，于2 A g^-1电流密度循环15,000次后容量保持率极高，每圈容量衰减率仅0.0014%；组装的高负载（~30 mg cm^-2）软包电池可实现6.6 mAh cm^-2的高面容量并稳定循环超过240次。该工作为克服多步转换反应中的线性标度关系限制提供了普适性设计原则。

文章链接

https://doi.org/10.1039/D5EE06963G

第一作者简介

陈茂鑫，2021年硕士毕业于湖南大学化学化工学院，现为新加坡国立大学化学系2022级博士研究生，导师为新加坡国立大学吕炯教授、天津大学杨全红教授与杨春鹏教授。研究方向聚焦于转换型电池正极材料的设计与反应机理，涵盖固态与液态体系，包括固态锂硫电池、锌碘电池及其关键电极的构筑、器件开发与长循环性能优化。已在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Natl. Sci. Rev.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.等期刊上发表学术论文14篇，累计被引1041次。

2026-01-13