研究背景

水系锌碘电池因其本征安全、成本低廉和高理论容量等优势，在大规模储能领域前景广阔。然而，在高碘负载条件下，可溶性多碘化物的“穿梭效应”和缓慢的反应动力学严重制约其实际应用。传统d区单原子催化剂面临Sabatier原理带来的根本性困境：吸附过强会过度稳定中间体而抑制I-I键活化，吸附过弱则无法有效锚定多碘化物——这种“吸附-活化”之间的固有权衡，使得现有催化剂在高负载下难以同时实现强锚定和快转化。如何从电子结构层面突破这一瓶颈，是实现高能量密度、长寿命锌碘电池的关键。

文章简介

近日，团队在国际知名期刊Nature Communications上发表题为”4f-5d orbital tag-team catalysis empowers high-loading zinc–iodine batteries”的研究论文。该工作提出并验证了一种基于Ce单原子催化剂的f-d轨道“tag-team”催化机制，成功突破了高负载锌碘电池中吸附与活化之间的Sabatier权衡。通过构建机器学习引导的描述符框架，研究团队从41个原子级电子/几何特征中筛选出两个关键描述符——d/f轨道电子占据数（N_d+N_f）和净电荷极化（ΔBader-N_f），并据此识别出Ce SACs为最优催化中心。DFT计算揭示了其独特机制：Ce的5d轨道通过强键合作用锚定碘中间体，而近费米能级的4f轨道引入反键相互作用，选择性活化I-I键。这种“一个锚定、一个活化”的轨道协同机制，使得Ce SACs/I₂正极在44.7 mg cm⁻²（扣式电池）和115 mg cm⁻²（软包电池）的高碘负载量下，实现了10.2 mAh cm⁻²的高面容量和优异循环稳定性。

本文要点

1.    通过构建机器学习框架，从41个原子级电子/几何特征中筛选出两个关键描述符——d/f轨道电子占据数（N_d+N_f）和净电荷极化（ΔBader-N_f），分别与I-I键活化（R²=0.81）和碘吸附能（R²=0.89）呈强线性相关。这两个描述符相互独立，实现了对吸附强度和键活化能力的分别调控，为理性设计高性能催化剂提供了新范式。

2.    发现Ce单原子催化剂中独特的轨道协同机制：Ce 5d轨道通过成键相互作用强吸附锚定碘中间体，而近费米能级的Ce 4f轨道引入反键相互作用选择性活化I-I键。这种“一个锚定、一个活化”的机制首次实现了对碘还原反应中两个关键步骤的轨道级解耦调控，将限速步骤（*I₃→*I）的活化能较传统d区催化剂降低16%。

3.    基于上述机制，Ce SACs/I2正极在44.7 mg cm^-2（扣式电池）和115 mg cm^-2（软包电池）的创纪录碘负载量下，分别实现10.2 mAh cm^-2和25.6 mAh cm^-2的高面容量；20 mg cm^-2负载下循环1000圈容量保持率达95%，软包电池电压平台在5个月内保持稳定（1.30±0.01 V）。该工作将轨道级催化剂设计直接转化为实用化高能量密度电池器件。

 文章链接

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70908-z

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16篇，累计被引1060次。

2026-04-03