硼氮共掺杂多孔碳框架协同活性位点促进多碘化物转化助力高性能锌碘电池

推荐：为解决Zn-I2 电池中碘氧化还原动力学迟缓和穿梭效应问题，研究人员通过B/N共掺杂策略设计多孔碳宿主（BNAC），结合实验与DFT计算证实N-B活性中心可抑制多碘化物迁移、增强吸附并催化转化。该材料使电池在0.1 A g?1 下实现231.7 mAh g?1 的高容量及4500次循环98%的稳定性，为碳基电极设计提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型，水系锌碘（Zn-I₂
）电池因其高安全性和丰富的碘资源成为储能领域的研究热点。然而，碘物种的绝缘性、多碘化物（如I₃
^?
）的溶解迁移导致的“穿梭效应”以及缓慢的氧化还原动力学，严重制约了电池的实际性能。传统碳宿主虽能物理吸附碘，却难以彻底解决上述问题。如何通过原子级设计调控碳材料电子结构，实现多碘化物的高效锚定与催化转化，成为突破技术瓶颈的关键。

黑龙江某高校联合团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，提出一种硼（B）和氮（N）共掺杂的多孔碳框架（BNAC）作为新型碘宿主。通过柠檬酸铵和硼酸锌前驱体热解，团队成功制备出具有高比表面积（1098 m²
g^?1
）和丰富B-N活性位点的材料。结合电化学测试与理论计算，发现B的引入可重构N位点的局部电荷分布，提升费米能级电子密度，从而增强导电性；而N-B协同中心能显著降低多碘化物转化能垒，抑制穿梭效应。最终，BNAC基电池在0.1 A g^?1
下获得231.7 mAh g^?1
的容量，10 A g^?1
高倍率下仍保持163.5 mAh g^?1
，且4500次循环后容量无衰减。

关键技术方法
研究采用热解法合成B/N共掺杂碳材料，通过X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱表征化学键合状态；利用循环伏安法（CV）和塔菲尔斜率分析电催化活性；结合密度泛函理论（DFT）计算揭示B-N位点的电荷分布与吸附能；采用恒电流充放电测试评估电池性能。

研究结果

1. 材料合成与表征：BNAC展现出分级多孔结构，B-N键含量达8.7 at%，XPS证实B的掺入使吡啶N的电子密度向B偏移，形成缺电子活性中心。
2. 电化学性能：BNAC组装的Zn-I₂
   电池在1 C倍率下极化电压仅为0.23 V，远低于未掺杂样品（0.41 V），表明B-N位点加速了I₂
   /I^?
   转化动力学。
3. 理论机制：DFT计算显示I₃
   ^?
   在N-B位点的吸附能（?2.31 eV）比纯碳（?0.87 eV）更强，且过渡态能垒降低37%，证实其催化优势。

结论与意义
该研究首次阐明B-N协同位点通过“电子调控-吸附强化-催化促进”三重机制提升Zn-I₂
电池性能，为多电子反应电极设计提供新范式。相较于贵金属催化剂，B/N共掺杂碳材料成本低廉且易于规模化（碳产率82.7%），对推动高性价比储能器件发展具有重要价值。