以金属有机框架衍生的多孔碳作为高效碘载体的功能性纳米结构，用于高性能水系锌-碘电池

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Functional nanoarchitectonics with metal-organic framework derived porous carbon as an efficient iodine host for high performance aqueous zinc?iodine batteries

Al掺杂MOF衍生多孔碳抑制碘 shuttle效应，实现锌碘电池2400次循环容量保持率131 mAh g-1，电压平台稳定，铝增强离子/电子传输。

　　在当前全球能源需求不断上升和环境可持续性问题日益严峻的背景下，碳中性能源技术正成为科学界的重要研究方向。其中，电化学储能系统，特别是可充电电池技术，因其在储能效率和能量密度方面的优势，成为推动这一领域发展的关键力量。尽管锂离子电池（LIBs）在商业应用中占据主导地位，其高能量密度使其成为众多电子设备和电动汽车的首选，但其使用有机电解质所带来的可燃性问题，也限制了其在某些高安全需求场景中的应用。因此，研究者们开始探索替代方案，其中水性锌-碘电池（ZIBs）因其固有的非易燃性和环境友好性而受到广泛关注。

锌-碘电池是一种具有巨大潜力的储能系统，其正极材料碘具有丰富的自然资源和较高的理论比容量，使其成为理想的电极材料。然而，这种电池在实际应用中仍面临诸多挑战。其中，最显著的问题之一是多碘化物穿梭效应（polyiodide shuttle effect）。多碘化物在电解液中具有较高的溶解度，容易迁移至负极，导致正极活性物质的损失和负极的腐蚀，从而降低电池的循环性能和整体寿命。此外，碘的氧化还原反应动力学缓慢，进一步限制了电池的充放电速率和实际应用价值。为了解决这些问题，研究者们致力于开发具有高效物理约束能力和化学吸附能力的正极宿主材料，以实现对多碘化物的有效抑制和对碘氧化还原反应的加速。

近年来，多孔碳材料因其高比表面积、良好的导电性和可调控的孔结构，被广泛应用于锌-碘电池的正极宿主设计中。这类材料能够为碘提供物理约束，减少其在电解液中的溶解，同时通过其多孔结构促进锌离子的快速迁移，从而提升电池的电化学性能。然而，传统的多孔碳材料往往缺乏对碘的强化学吸附能力，主要依赖于物理吸附作用，这种作用力较弱，难以从根本上解决多碘化物穿梭效应的问题。因此，如何通过材料设计提升多孔碳对碘的化学吸附能力，成为当前研究的重点。

铝基金属有机框架（MOF）衍生的多孔碳材料（APC）为解决上述问题提供了一种新的思路。MOF材料因其高度可调的孔结构、丰富的金属节点和有机配体，能够通过结构设计和合成参数调控，实现对多孔碳材料的精确控制。铝作为MOF中的一种金属节点，具有独特的物理化学性质。首先，铝是一种成本低廉且环境友好的元素，相较于其他过渡金属如钴、镍、铁和铬，其氧化物在高温下不易发生聚集，能够形成更均匀的掺杂结构。其次，铝离子具有强Lewis酸性，能够通过静电相互作用吸附多碘化物中的极性基团，从而增强其对多碘化物的化学吸附能力。此外，铝的掺杂还能够优化碳框架的结构，提高其对多碘化物的结合能力，同时促进锌离子的快速传输，从而提升电池的整体性能。

在本研究中，研究人员以MIL-53系列金属有机框架材料为前驱体，通过水热碳化方法制备了铝基多孔碳材料（APC），并进一步将其与碘结合，形成APC/I?正极复合材料。该材料的制备过程涉及多个关键步骤，包括前驱体的合成、铝的原位掺杂以及最终的碳化处理。MIL-53系列材料具有高度有序的结构和良好的热稳定性，使其成为理想的前驱体材料。通过水热碳化过程，研究人员能够在保持原有结构的基础上，引入铝元素，从而构建出具有优异性能的多孔碳材料。这种材料不仅具有高比表面积和多孔结构，还能够通过铝的掺杂形成强化学吸附位点，有效抑制多碘化物的穿梭效应。

为了验证APC/I?正极材料的性能，研究人员对其进行了系统的表征分析，包括物理结构、化学组成以及电化学行为等方面。结果显示，APC/I?正极材料具有高度发达的孔结构，能够为碘提供足够的负载位点。同时，铝的掺杂显著增强了材料对多碘化物的吸附能力，使其在电化学反应过程中能够有效固定多碘化物，防止其在电解液中的迁移。此外，铝的引入还优化了碳框架的导电性和离子传输通道，使得锌离子能够在正极材料中快速迁移，从而提升电池的充放电速率。实验数据表明，APC/I?正极材料在500 mA g?1的电流密度下，仍能保持131 mAh g?1的比容量，并在2400次循环后展现出接近100%的库仑效率，显示出其出色的循环稳定性和电化学性能。

进一步的电化学分析揭示了APC/I?正极材料在锌-碘电池中的优势。通过电化学阻抗谱（EIS）测试，研究人员发现该材料具有较低的电荷转移电阻，表明其内部的离子和电子传输过程较为高效。同时，该材料表现出显著的电容行为，意味着其在充放电过程中能够提供额外的储能能力，从而提升电池的整体性能。这些特性不仅有助于提高电池的能量密度，还能够增强其在高电流密度下的稳定性和寿命。此外，通过长期静置测试，研究人员确认了APC/I?正极材料在72小时后仍能保持稳定的电压输出，进一步验证了其对多碘化物穿梭效应的有效抑制。

从材料设计的角度来看，APC/I?正极材料的成功开发体现了多孔碳材料与化学掺杂技术相结合的潜力。通过铝的掺杂，研究人员不仅提升了材料的化学吸附能力，还优化了其结构和电化学性能，使其能够更好地满足锌-碘电池的实际需求。这一成果为未来高能量密度、长循环寿命的锌-碘电池正极材料设计提供了新的思路，也为其他类型的储能系统（如钠离子电池、钾离子电池等）的正极材料开发提供了借鉴。

在实际应用方面，APC/I?正极材料展现出良好的前景。其高比容量和优异的循环稳定性使其能够适用于多种储能场景，包括大规模储能系统、柔性电子设备以及可穿戴设备等。此外，由于铝基材料的成本较低且环境友好，其在商业化应用中的经济性和可持续性也具有明显优势。因此，这一研究不仅在理论上具有重要意义，也为未来锌-碘电池的产业化发展提供了有力支持。

本研究的创新之处在于，通过铝的掺杂和多孔碳材料的结构调控，实现了对多碘化物穿梭效应的有效抑制和对碘氧化还原反应的加速。这种材料设计策略不仅提升了锌-碘电池的性能，还为其他储能系统的正极材料开发提供了新的研究方向。未来的研究可以进一步探索不同金属元素掺杂对多孔碳材料性能的影响，以及如何通过材料结构的优化来提升其在不同应用场景下的适应性。此外，还可以结合其他功能材料（如导电聚合物、纳米材料等）来构建复合正极材料，以实现更高的能量密度和更长的循环寿命。

总的来说，铝基金属有机框架衍生的多孔碳材料为锌-碘电池的正极设计提供了一种新的解决方案。通过物理和化学手段的结合，这种材料能够有效抑制多碘化物穿梭效应，提升碘的负载能力和电化学反应的效率。其优异的性能不仅推动了锌-碘电池的发展，也为其他类型的电化学储能系统提供了重要的研究参考。随着相关技术的不断进步，这类材料有望在未来成为高性能储能系统的重要组成部分，为实现碳中性能源目标做出更大贡献。