吉林农业大学张琪/罗云清&河北北方学院金占双&温州大学蔡冬: 设计富含−OH和−C=O双功能碳宿主,协同实现锌碘电池限域与氧化还原动力学

第一作者：刘思雨

通讯作者：罗云清*，蔡冬*，金占双*，张琪*

单位：吉林农业大学，河北北方学院，温州大学

水系锌碘电池凭借其高安全性、环境友好性和高达211 mAh g⁻¹的理论容量，成为极具潜力的下一代储能体系。然而，其实际应用长期受困于可溶性聚碘化物在循环过程中的溶解与穿梭效应，导致电池容量快速衰减、库仑效率低下和循环寿命不足。为应对这一挑战，多孔碳材料因其可调控的孔结构、高导电性、大比表面积和对聚碘化物的物理限域能力，已被广泛用作碘宿主材料。尽管通过优化孔隙结构在一定程度上提升了电化学性能，但现有研究大多聚焦于碳材料的孔结构参数的物理调控上，而常常忽视表面官能团在调控锌碘电池电化学行为方面的关键作用。事实上，诸如羟基（−OH）、羰基（−C=O）等官能团不仅能增强碳表面对电解质的亲和性，更能通过强化学作用锚定聚碘化物、参与可逆氧化还原反应，从而从抑制穿梭并提升反应动力学。因此，合理设计兼具分级孔隙率和表面含氧官能团的碳宿主，对于缓解阻碍锌碘电池实际应用的持续挑战具有重要前景。

近日，来自吉林农业大学张琪博士、罗云清教授与河北北方学院金占双教授、温州大学蔡冬副教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Engineering Bifunctional Carbon Hosts with Rich −OH and −C=O for Synergistic Confinement and Redox Kinetics in Zn-I₂ Batteries”的观点文章。该观点文章设计并合成了一种富含羟基（−OH）和羰基（−C=O）的分级微介孔碳纳米球（MMC-Rich），用作锌碘电池正极宿主材料，并实现了明确的协同分工。具体来说，−OH通过O−H∙∙∙I键显著增强了对碘物种的化学吸附，从而抑制穿梭效应。此外，−C=O基团积极参与额外的法拉第氧化还原反应，提高电池容量。得益于这种协同机制，结合多级孔的物理限域作用，基于MMC-Rich的锌碘电池表现出优异的电化学性能，在10 A g⁻¹高电流密度下，初始容量达160.87 mAh g⁻¹，循环25,000次后仍保持135.58 mAh g⁻¹，容量保持率高达84%。

该研究通过简单的煅烧工艺结合酸刻蚀步骤的合成路线，成功制备了富含−OH和−C=O的分级微介孔碳纳米球。系统的结构表征表明，该材料丰富的多级孔道结构有利于碘的高负载与离子的传输。更重要的是，XPS和FTIR分析直接证实了−OH和−C=O基团的存在。进一步的相互作用区域指示器（IRI）分析与电荷密度差分计算直观揭示了−OH与碘物种之间形成的O−H∙∙∙I氢键，从电子结构层面揭示了其强化学吸附的机制基础。

通过吸附实验与电化学测试，揭示了MMC-Rich对多碘化物的化学吸附作用及其对电池动力学的提升。可视化吸附与UV−vis光谱表明，相较于官能团含量较低的MMC-Poor，MMC-Rich能更快速、彻底地吸附溶液中的多碘化物，这直接归因于MMC-Rich表面丰富的−OH基团通过O−H∙∙∙I氢键形成的强化学吸附。电化学动力学分析进一步证实，I₂/MMC-Rich电极表现出更低的反应阻抗（Rct = 38 Ω）与更小的极化电压（40 mV），其氧化还原反应的Tafel斜率也显著降低，意味着更快的碘转化动力学。优异的吸附与快速的动力学共同转化为了优异的综合性能：电池在10 A g⁻¹的高电流密度下，初始放电比容量高达160.87 mAh g⁻¹，并且在经历25,000次超长循环后，容量仍能保持在135.58 mAh g⁻¹，容量保持率达84%，展现了出色的长循环稳定性。

为深入理解−C=O的作用机制，研究进行了系统的DFT计算。结果表明，−C=O基团对Zn²⁺具有最强的吸附能（-0.52 eV）。结合非原位XPS分析，证明了−C=O基团在充放电过程中与Zn²⁺发生可逆的氧化还原反应，从而提供额外法拉第赝电容贡献来提高电池容量，明确了−OH与−C=O官能团在“化学吸附”与“容量贡献”方面的协同分工作用。

原位UV−vis光谱表明，在放电过程中，MMC-Rich中多碘化物的特征吸收峰强度显著更低。这直观地证实了−OH通过化学吸附有效抑制了多碘化物的溶解和穿梭。此外，DFT计算表明，−OH基团对碘物种具有最强的吸附能，证实其可通过形成O−H∙∙∙I氢键实现强化学锚定。通过将I₂/MMC-Rich与近期报道的多种先进宿主材料进行全方位对比，其性能处于领先水平。本工作最终总结了一个清晰的协同工作机制：丰富的−OH基团通过强化学吸附有效抑制了多碘化物的溶解与穿梭效应；同时，−C=O基团通过与Zn²⁺的可逆氧化还原反应贡献了额外的赝电容容量。该协同机制与分级多孔结构的物理限域作用相结合，共同实现了对活性物质的高效利用和反应动力学的加速，从而赋予锌碘电池卓越的循环稳定性和高倍率性能。

Engineering Bifunctional Carbon Hosts with Rich −OH and −C═O for Synergistic Confinement and Redox Kinetics in Zn-I₂ Batteries

张琪，吉林农业大学讲师，硕士生导师。从事多功能纳米材料的制备、结构表征、储能机制分析、电化学性能提升等方面的研究。已在CCS Chemistry，Chemical Science，Advanced Energy Materials，ACS Nano，Small，Chemical Engineering Journal，Nanoscale等学术期刊上发表论文20余篇。主持吉林省科技厅自然科学基金1项，吉林省教育厅科学技术项目1项。

罗云清，吉林农业大学教授，硕士生导师。一直从事有机化学、天然产物化学、中药化学、微纳米结构功能材料、光电催化储能电池材料以及有机污染物降解与吸附。以第一作者或通讯作者在Chemical Engineering Journal、Small、Chemical Engineering Science、Dalton等国际知名期刊发表SCI文章 20余篇，申请发明专利3项。 主持完成省级科研项目5项。获省市级科技进步奖二等奖2项、省级自然科学二等奖。

金占双，河北北方学院教授，博士，硕士生导师。主要从事纳米材料的设计、合成及其在锂硫和锌碘电池领域的相关科学研究，以第一作者或通讯作者身份在Carbon Energy，ACS Nano, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A., Nano Research等国际知名期刊上发表SCI论文20余篇，转让发明专利2件。主持完成河北省自然科学青年基金1项，主持在研中央引导地方科技发展资金项目1项、河北省自然科学面上项目1项，河北省教育厅青年拔尖人才项目1项。

蔡冬，温州大学副教授，硕士生导师，博士毕业于吉林大学，主要从事纳米材料的结构设计、性能调控及界面反应机理的基础研究及其在锂硫电池、硅碳负极，固态电解质，锌离子电池等领域的应用研究。先后主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金青年基金项目等多个纵向课题，主持企业百万级横向课题，以骨干成员参与千万级横向课题。以第一作者或通讯者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy、ACS Nano等国际权威期刊上发表SCI论文30余篇，其中热点论文1篇，高被引论文5篇，授权发明专利10余项。指导学生获得第四届中国大学生动力电池创新竞赛全国优秀奖、最佳传播奖，浙江省化学会创新奖，纳米能源学术研究新星全国铜奖，获批浙江省新苗人才计划等项目和奖项。

刘思雨，女，硕士，目前就读于吉林农业大学资源与环境学院化学专业。研究方向集中于纳米材料的设计、合成及其在锂硫电池和锌碘电池领域的应用研究，以第一作者身份在Chem. Eng. J.、Small等国际知名期刊上发表SCI论文4篇。