生物质衍生多孔碳纳米限域效应提升碘可逆氧化还原动力学研究

锌碘(Zn–I2)电池因多碘化物穿梭效应、动力学迟滞和导电性差等问题制约其大规模储能应用。济南大学团队创新性地通过橘皮衍生多级纳米多孔碳(MP-OPC)的限域效应，将碘物种限制在孔道内，实现I0/I-的高效可逆转化，在500 mA g-1下循环1000次仍保持61 mAh g-1容量，为生物质碳材料在储能领域的高值化利用提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型，大规模储能技术面临成本与安全性的双重挑战。传统锂离子电池(LIBs)虽在消费电子领域表现优异，但其昂贵的有机电解质、稀缺的锂资源及安全隐患制约了在电网级储能中的应用。水系锌离子电池凭借金属锌负极的低成本(≈$2 kg^-1)、高理论容量(820 mAh g^-1)及水系电解质的安全性成为研究热点，但阴极材料的选择始终是技术瓶颈。其中，碘阴极虽具有211 mAh g^-1的理论容量和1.38 V vs Zn/Zn²⁺的工作电压，却受限于多碘化物(I₃^-/I₅^-)的溶解穿梭和缓慢的氧化还原动力学。

济南大学Wenqing Ma团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，提出了一种"挖孔"策略：将废弃橘皮经预碳化后，通过KOH高温蚀刻构建多级纳米多孔碳(MP-OPC)。这种材料具有三重优势：(1) 2-50 nm的分级孔道可物理限域碘物种；(2) 相互连通的孔网络促进电解液浸润；(3) 碳骨架的高导电性加速电子传输。研究人员采用X射线光电子能谱(XPS)证实MP-OPC中C=O/C-I键的存在，通过循环伏安(CV)测试显示其氧化还原峰间距比非多孔碳(NP-OPC)缩小37%，表明显著提升的反应动力学。

材料制备与表征
通过橘皮碳化-碱蚀刻法制备的MP-OPC呈现三维互联网络，扫描电镜(SEM)显示其具有大孔(>50 nm)、介孔(2-50 nm)和微孔(<2 nm)的多级结构。氮气吸附测试测得比表面积达1120 m² g^-1，孔径分布集中在1.7 nm和3.8 nm，为碘负载提供理想场所。拉曼光谱中I₃^-特征峰(165 cm^-1)的减弱证实多孔结构有效抑制多碘化物生成。

电化学性能
在2 M ZnSO₄电解液中，MP-OPC组装的Zn–I₂电池展现显著优势：(1) 在0.1 mV s^-1扫速下能量效率达84%，较NP-OPC提升22%；(2) 10 C倍率下容量保持率81%，证明快速电荷转移动力学；(3) X射线衍射(XRD)显示循环后电极无ZnI₂·4H₂O副产物，表明限域效应抑制穿梭。

机理分析
原位紫外可见光谱证实MP-OPC中碘氧化还原遵循两电子转移路径(I⁰?I^-)，而体相电解液中检测不到I₃^-信号。密度泛函理论(DFT)计算显示，碳骨架中吡啶氮位点对I₃^-的吸附能(-1.82 eV)远高于I^-(-0.67 eV)，从原子尺度解释限域机制。

该研究开创性地将农业废弃物转化为高性能储能材料，为解决碘阴极的固有缺陷提供了新思路。MP-OPC的制备工艺简单、原料成本低廉(<$5 kg^-1)，且循环寿命较传统碳材料提升3倍，为开发安全、经济的电网级储能系统奠定基础。未来通过调控孔道化学环境（如杂原子掺杂）或可进一步提升碘负载量，推动Zn–I₂电池的商业化进程。