“吸附+催化”耦合助力高温水系锌-碘电池

研究背景

由于高理论容量和自然资源丰富(50-60 ug L海水-1)等特点，碘被用于新型电池储能材料。但是，其导电性差、反应过程复杂以及中间产物易穿梭等问题，严重阻碍了锌-碘电池的实际应用。此外，碘高温易升华会导致穿梭效应加剧，加快锌的腐蚀并导致容量快速衰减，从而给锌-碘电池的高温应用带来挑战。因此，设计合理的结构提高载体材料导电性，加快中间产物的转化速率对于开发先进的碘基正极，并对其作用机制进行深入探索具有重要意义。

近日，山东大学张进涛教授课题组通过模板法和熔融盐辅助法设计了分级多孔碳负载高分散Fe2N团簇的载体材料，有效提升了材料的吸附和催化性能，耦合“吸附+催化”作用，提高了电池的循环稳定性，实现了锌-碘电池高温应用。

其成果以题为“Synergic anchoring of Fe2N nanoclusterson porous carbon to enhance reversible conversion of iodine for high-temperaturezinc-iodine battery”发表在Nano Energy上。  

研究亮点

通过模板法和熔融盐辅助法设计了分级多孔碳负载高分散Fe2N团簇的结构有效提升了碘的负载，其中分级多孔碳提供充足的空间容纳碘，高分散Fe2N团簇有效增强碘的吸附。

原位拉曼和理论计算揭示高分散Fe2N团簇独特的结构有效调节表面电荷性质，从而提升碘的反应动力学，实现I2/I-的直接转化，避免多碘化物产生。

PC@Fe2N-4优异的“吸附+催化”特性有效降低了高温碘升华对电池性能的影响，电池在60 ℃也能循环5000圈，实现锌-碘电池高温应用。

图文导读

图1. PC@Fe2N-4材料的合成示意图及结构分析

  图2. 结构和吸附性能表征  

 

图3. 电化学行为及动力学分析

  图4. 机理分析

 

图5. 软包性能及高温机理分析  



▲从扫描和透射的结果显示PC@Fe2N呈现出类蜂窝状的形貌，表面均匀分散着Fe2N纳米团簇，这种独特的多孔结构可以有效增大材料的比表面积，同时暴露更多活性位点，增强材料的吸附以及催化性能。电化学性能测试表明，PC@Fe2N-4的高导电和优异的催化活性有效促进电荷传递，较低的活化能使PC@Fe2N-4/I2具有更快速的氧化还原动力学。结合理化分析手段，PC@Fe2N-4/I2表现出更优异的电化学性能，循环20000圈之后，容量保持率依然维持在80 %以上，同时在60 ℃下循环5000圈也能获得70 %的容量保持率。  

研究总结

综上所述，该工作通过模板法和熔融盐辅助法设计了分级多孔碳负载高分散Fe2N团簇主体材料，耦合“吸附+催化”作用，提升了碘的负载，增强碘的吸附，同时高分散Fe2N团簇有效改善碳材料表面电荷性质，提高碘的催化转化速率，从而缓解碘在高温下的升华和穿梭效应，组装的锌-碘电池展现出良好的循环稳定性，实现了高温应用。  

审核编辑：刘清