水系锌碘（Zn-I₂）电池因其环境友好、高容量和成本效益而备受关注，Zn-I₂电池性能通常受到多碘化物穿梭效应和缓慢转化动力学的限制。2025年12月23日，安徽工业大学何孝军/贾德东、济南大学周伟家/谭华团队合作在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Dual-Enhanced Iodine Confinement and Conversion of Single-Atom Mn-N3-C Catalyst for Long-life Electrolytic Zn-I2 Batteries”的研究论文，贾德东为论文第一作者，贾德东、谭华、周伟家、何孝军为论文共同通讯作者。

该研究开发了一种将Mn单原子锚定于高能MOFs（MET-6）衍生多孔碳基体中的高效催化剂（SAMn-N₃-C），用于构建稳定电解型Zn-I₂电池。丰富的介孔结构为电解质（KI）渗透提供了充足的空间，并为碘物种的物理吸附提供了丰富位点。同时，原子级分散的SAMn-N₃催化位点不仅能通过强化学结合抑制多碘化物的穿梭效应，还能降低I⁻/I₂转化的活化能，从而加速反应动力学。因此，采用SAMn-N₃-C阴极的Zn-I₂原型电池在1 A g⁻¹下提供了336.2 mAh g⁻¹的高放电容量，并且在20 A g⁻¹下循环50,000次后容量保持率高达95.7%，展现出优异的循环稳定性。此外，组装的Zn-I₂软包电池实现了25.6 mAh的面积容量，并稳定运行了100次循环。该研究展示了一种设计具有双重增强型碘限域与转化能力的理想碘宿主的混合策略，有助于推动Zn-I₂电池的实际应用。

对间歇性可再生能源日益增长的需求，推动了环境友好、高效储能技术的研究。水系锌离子电池（AZIBs）因其本征安全性、高理论比容量和资源可获得性，被认为是大规模储能最具竞争力的候选技术之一。然而，基于离子嵌入的传统正极材料，在充放电过程中常因与Zn⟡⁺间的强静电斥力而表现不佳，导致循环稳定性和倍率性能较差。近年来，水系Zn-I₂电池的研究进展依赖于正极上的碘/碘化物（I₂/I⁻）转化反应和负极上的Zn/Zn⟡⁺氧化还原反应，凸显了转化型正极在AZIBs中的潜力。除了来源丰富、高输出电压（1.38 V vs Zn⟡⁺/Zn）、以及高理论容量（211 mAh g⁻¹，基于两电子氧化还原反应）外，Zn-I₂电池还因其可逆转化反应机制（而非Zn⟡⁺的脱嵌/嵌入机制），展现出快速的氧化还原动力学和良好的耐久性。然而，Zn-I₂电池仍面临显著挑战，这主要源于碘（I₂）的低电导率（约7.6×10⁻⁸ S cm⁻¹）以及高度可溶的多碘化物不受控的穿梭效应，从而导致碘利用率不足、锌负极严重腐蚀、库仑效率低下以及电池耐久性有限。迄今为止，研究人员已通过电解质调控和隔膜优化等多种途径努力解决上述问题。具体而言，电解质调控策略（添加剂、高浓盐水系电解质、凝胶电解质）能够有效抑制负极副反应并减缓多碘化物穿梭效应，从而提高Zn-I₂电池库仑效率（CE）和容量，但目前尚难以完全阐明复杂电解质与碘物种之间的相互作用机制。同时，隔膜工程也面临着难以精确调控其多孔结构以有效限域碘物种，以及多碘化物从正极侧不可避免溶解的挑战。此外，针对电解质和隔膜的这些策略可能降低离子电导率、增加成本并引发环境问题，从而削弱其可重复使用性。因此，为了有效固定多碘化物，对碘宿主结构进行合理设计对于Zn-I₂电池至关重要。众多多孔碳材料，例如多孔碳、碳布、石墨烯以及碳纳米管（CNT），因其高电子电导率和优异的电化学稳定性，常被用作理想的碘宿主。毫无疑问，碳材料不仅能够增强碘的电子电导率，还能凭借其多孔结构物理限域碘物种，从而抑制多碘化物的穿梭效应。然而，非极性碳材料与碘化物物种之间较弱的物理结合，不足以在长期循环中有效抑制多碘化物的穿梭。更重要的是，碳材料结构对 I₂/I⁻ 转化反应的催化活性通常较差，无法加速氧化还原动力学。因此，多孔碳质材料仍需要具备高活性锚点以实现碘化物的化学吸附，并需要催化位点来优化I₂/I⁻的氧化还原动力学。将杂原子（N/P/S）掺杂到碳基体中是增强与碘化物物种化学相互作用的一种有效途径，通过调节表面电荷环境并形成极性表面，从而抑制多碘化物的穿梭效应。此外，在杂原子的辅助下，可以降低 I₂/I⁻ 转化反应的活化能和过电位，从而加速氧化还原动力学。具有最大催化金属利用率和增强催化活性的单原子催化剂（SACs），在能量转换和存储领域得到了广泛应用。继将Fe-SACs（B-Fe-NC）用作阴极材料以加速I⁻/I₂氧化还原反应并限制多碘化物穿梭效应的开创性工作之后，多种SACs（包括Fe、Ni、Cu、Co 和 Zn）被嵌入多孔碳中并用作高性能Zn-I₂电池的碘宿主。在氮配位SACs的合成过程中，过渡金属Fe、Co、Cu和Ni能够催化形成具有丰富缺陷位点（Metal-NX和C-NX）的碳基底。而Mn能有效催化高度有序、缺陷更少的类石墨碳基底形成，从而赋予SAC-Mn优异的电子电导率。此外，Mn具有从0到+7的宽价态范围，导致SAC-Mn构型和价态变化的多样性，这便于研究不同构型和价态变化的SAC-Mn对I⁻/I₂转化的影响。此外，在第一行过渡金属中，Mn是地壳中储量第二丰富的过渡金属。鉴于Mn的催化石墨化能力、独特的电子结构以及相对丰度，SAC-Mn值得作为I⁻/I₂氧化还原反应的潜在电催化剂进行研究。迄今为止，SAC-Mn对I⁻/I₂转化的催化作用尚未被探索，其在化学限域碘物种方面的作用也知之甚少。尽管在为I₂物理限域的多孔结构设计、用于强相互作用的杂原子掺杂、以及用于I₂/I⁻转化的SAC引入方面取得了优异的成果，但针对高性能Zn-I₂电池的单一碘宿主结构优化策略是不够的。理想的碘宿主材料需要同时具备合理的多孔结构、杂原子掺杂和催化性能，以增强吸附能力、化学锚定作用和I⁻/I₂转化动力学，从而实现高能量密度和长寿命。在此，该研究提出了一种锚定于氮掺杂多孔碳骨架中的单原子Mn（SAMn-N₃-C），作为新型水系Zn-I₂电池碘宿主。由富氮配体（C₂H₃N₃）的高能MOF（MET-6）衍生得到的多孔碳基体，具有丰富的介孔结构和高氮掺杂水平，能够实现碘物种的有效吸附和电子/离子的高效传输。同时，SAMn-N₃-C催化位点不仅通过化学限域与碘物种紧密结合，还通过降低活化能显著加速I⁻/I₂氧化还原动力学，从而抑制穿梭效应并提高转化效率。基于此设计，使用SAMn-N₃-C作为阴极的电解型Zn-I₂电池在1 A g⁻¹下实现了高达336.2 mAh g⁻¹的放电容量，并且在20 A g⁻¹下循环超过50,000次后容量保持率为95.7%，展现了高效且稳定的碘存储能力。此外，实用Zn-I₂软包电池实现了25.6 mAh的高面积容量，并在100次稳定循环后保持82.8%的容量。

图1 SAMn-N₃-C的合成与结构表征：(a) 合成过程示意图；(b) TEM图像；(c) HRTEM图像（插图为相应的SAED图谱）；(d) TEM-EDS元素分布图；(e) SAMn-N₃-C的代表性HAADF-STEM图像；(f) Mn箔、MnO、Mn₂O₃、MnO₂、MnPc和SAMn-N₃-C的归一化Mn K边XANES谱；(g) 相应的FT-EXAFS谱；(h) R空间及(i) K空间的FT-EXAFS及拟合曲线（(h)中插图为提出的模型）；(j) R空间Mn-K边的WT等高线图。

图2 碘物种在SAMn-N₃-C和NC上的吸附：(a) SP、NC和SAMn-N₃-C在I₃⁻溶液中浸泡60分钟后的数码照片；(b) 相应的紫外-可见光谱；(c) NC和(d) SAMn-N₃-C对I₃⁻的吸附模型；(e) NC和SAMn-N₃-C对各种碘物种的吸附能；(f) NC和(g) SAMn-N₃-C表面吸附各种碘物种优化构型的电荷密度差。

图3 电解型Zn-I₂电池的电化学性能：(a) 5 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线；(b) 1 A g⁻¹下的GCD曲线；(c) 1至20 A g⁻¹的倍率性能；(d) SAMn-N₃-C阴极在不同电流密度下的GCD曲线；(e) 不同阴极Zn-I₂电池的Arrhenius图；(f) 2 A g⁻¹下的长期循环性能；(g) 20 A g⁻¹下的长期循环性能；(h) 与文献报道的阴极材料电化学性能对比。

图4 穿梭抑制与负极保护机制：基于(a) NC和(b) SAMn-N₃-C的Zn-I₂电池的原位紫外-可见光谱及对应电压曲线；基于(c) NC和(d) SAMn-N₃-C的Zn-I₂电池的原位拉曼光谱及对应电压曲线；在(e) NC和(f) SAMn-N₃-C基Zn-I₂电池中循环50次后锌负极的SEM图像；在NC和SAMn-N₃-C基Zn-I₂电池中循环50次后锌负极的(g) XRD谱图和(h) S 2p XPS谱图。

图5 快速动力学与协同催化-限域机制：(a) SAMn-N₃-C阴极在1、3、5、7和9 mV s⁻¹下的CV曲线；(b) 对应氧化还原峰的log(峰电流)与log(扫描速率)关系图；(c) SAMn-N₃-C阴极在7 mV s⁻¹下的电容控制贡献CV曲线；氧化过程(d)和还原过程(e)的LSV曲线及计算的Tafel斜率；(f) SAMn-N₃-C和NC上I₂还原反应的吉布斯自由能图；(g) SAMn-N₃-C上碳基体吸附和SAMn-N₃位点转化的机制示意图；(h) Zn-I₂软包电池的循环寿命及照片。

总之，该研究通过介孔碳基体与单原子Mn-N₃催化位点的协同组合，开发了一种用于高性能Zn-I₂电池的碘宿主（SAMn-N₃-C）。使用富氮高能MOF MET-6作为前驱体，所获得的碳基体拥有丰富的分级介孔结构和高氮掺杂水平，这可为电解质渗透和碘物种吸附提供充足的空间和大量的吸附位点。此外，均匀、原子级分布的SAMn-N₃催化位点赋予该碘宿主双重功能：通过强化学吸附抑制多碘化物穿梭效应，并通过高催化活性加速I⁻/I₂转化动力学。这种多功能设计支持电解型Zn-I₂原型电池展现出卓越的电化学性能，包括在1 A g⁻¹下336.2 mAh g⁻¹的高放电容量，以及超过50,000次循环的优异使用寿命。此外，基于SAMn-N₃-C的Zn-I₂软包电池也展现出高面容量（25.6mAh）以及在100次循环后82.8%的容量保持率，凸显了其在实用储能应用方面的潜力。尽管未来工作中仍需更多关注具有不同配位结构和电子结构的SACs对I⁻/I₂转化的催化活性，但该研究中对多碘化物的强限域与I⁻/I₂转化的高效率之间的协同效应，仍为SAC阴极的合理设计提供了指导，并将推动Zn-I₂电池的发展。