通过Co、In、Zn、V原位取代调控电子结构以设计高性能水系锌离子电池正极材料

本综述基于ZSH辅助沉积-溶解模型，提出通过多种金属杂原子（Co/In/Zn/V）原位取代策略调控Fe3O4电子结构，结合氮掺杂碳包覆（N-doped carbon）与独特空心双锥六棱柱结构，显著提升水系锌离子电池（AZIBs）正极材料的电化学活性、动力学性能及循环稳定性，为非MnO2正极设计提供了创新思路。

　　

亮点

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  提出一种通过金属有机框架（MOF）前驱体实现Co、In、Zn、V多种金属杂原子原位取代Fe₃O₄的创新策略。
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  氮掺杂碳包覆的空心双锥六棱柱结构为电解质传输提供充足空间，并均匀化通量分布与电场分布。
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  杂原子取代有效调控电子结构，增强电子转移活性，提升电导率及对电荷载流子的亲和性。

材料

实验所用试剂包括九水合硝酸铁（AR）、七水合硫酸锌（AR）、氯化钒（AR）、一水合硫酸锰（AR）、富马酸（AR）、六水合硝酸钴（AR）等，均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硝酸铟（AR）购自麦克林生化科技有限公司；六水合硝酸锌（AR）购自沈阳华东化学试剂厂。

材料合成与表征

图1a展示了空心结构多杂原子原位取代的C/N-FCIZVO制备示意图。首先，通过一步溶剂热法合成具有双锥六棱柱结构的Fe基金属有机框架MIL-88(Fe)，并在合成过程中原位掺杂Co、In、Zn、V金属源，产物标记为MIL-88-FCIZVO。随后，通过聚多巴胺包覆与高温煅烧，获得氮掺杂碳包覆的杂原子取代Fe₃O₄（C/N-FCIZVO）。表征结果表明，所制备材料具有明确的空心结构与均匀的杂原子分布。

结论

本研究成功通过Fe基MOF前驱体实现了Co、In、Zn、V的原位掺杂，构建了氮掺杂碳包覆的Fe₃O₄正极材料（C/N-FCIZVO）。实验与理论模拟证实，多杂原子取代可显著调控电子结构，促进电子转移，提升电化学活性与动力学性能。结合空心结构与碳包覆层的协同作用，材料表现出高比容量（406.0 mAh·g^?1）、优异倍率性能及循环稳定性（500次循环后容量保持率达90.6%）。该研究为非MnO₂正极的电子结构调控提供了新途径。