【研究背景】

鋅碘轉化型電池透過鹵素在單質態和離子態的可逆轉變進行儲/供能，具有低成本和高電壓的本徵優勢。得益於完全的物相轉變和電子得失，電池表現出極低的電壓衰減特徵和平整的放電平臺曲線。然而，該體系仍存在許多關鍵問題拯待解決。單質碘是天然絕緣的，其可逆氧化還原轉變的進行必須依賴外部導電載體來傳遞電子。通常多孔碳材料扮演這一角色。透過CVD，浸漬，吸附等工藝，碘單質活性物質與多孔宿主進行復合。物理性的結合往往導致活性物質在導電載體上的分佈不均，主宿體間差的相互作用，以及低效的電子傳導。 此外，當主宿間親和力不足以應對反應中多碘化物在電解液中的溶解和穿梭時，電池往往表現出差的迴圈壽命和惡劣的自放電現象。

【工作介紹】

近日，香港城市大學支春義教授，範俊教授聯合寧波材料所黃慶研究員課題組利用導電MXene材料作為載體，結合一種新型電化學沉積工藝製備了複合型MXene-I2鹵素正極材料，並報道了該材料在水系鋅電池體系下的優異電化學效能。碘離子在電場力的驅動下均勻嵌入到MXene材料的奈米層間並在高電位處原位轉化為碘單質。多重光譜學表徵結合DFT計算模擬揭露了MXene基體對多種碘化物（碘離子，多碘化物，碘單質）的天然親和性，以及兩者間高效的電子轉移特性。基於此，MXene-I2//Zn電池表現出優異的轉化動力學和抗衰減特性。該文章發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。李新亮為本文第一作者。

【內容表述】

為了實現碘單質的均勻負載，工藝尤為關鍵。本文設計一種電沉積工藝，以電解液中碘離子為原料透過原位氧化的方式來實現碘單質在MXene層間的均勻分佈。這裡選擇碘離子而非碘單質的原因是因為其較小的離子半徑和匹配施加電場的正電性。

圖一：MXene-I2複合電極的合成與表徵。a）電沉積工藝流程。b）原始層狀MXene材料的SEM照片。c）MXene材料的EDX能譜。d）MXene材料的HRTEM照片。e）MXene-I2複合電極的SEM照片。f）MXene-I2複合電極的EDX能譜。g）MXene-I2複合電極的HRTEM照片。h）XRD譜圖。i）Raman譜圖。j）I3d xps譜圖。

圖二：MXene-I2複合電極的電化學效能。a）MXene-I2複合電極和對比樣品的CV曲線。b) MXene-I2複合電極在不同掃速下的CV曲線。c）1 mV s-1掃速下電容型貢獻示意圖。d）不同掃速下電容型/擴散型貢獻對比。e) MXene-I2複合電極和對比樣品的倍率效能。f）倍率效能對應的充放電曲線。g）電壓平臺斜率對比。h）電壓平臺區對能量密度和容量貢獻比。i）極化電壓對比。

圖三：迴圈穩定性和自放電效能考察。a）MXene-I2複合電極長迴圈效能。b）不同迴圈區間對應的充放電曲線。c）迴圈壽命vs容量保持率對比圖。d）電壓自衰減曲線和速率。e) Ragone對比圖。

圖四：機理分析。a）MXene-I2複合電極迴圈10000次後的SEM照片。b）MXene-I2複合電極迴圈20000次後的SEM照片。c）帶有電壓標識的充放電曲線。d）電解液在不同迴圈狀態下的UV-vis譜圖。e）MXene-I2複合電極在不同迴圈狀態下的XRD譜圖。f）XRD譜圖中放大的（002）晶面區。g）MXene-I2複合電極在不同迴圈狀態下的Raman譜圖。f) Raman譜圖中放大的25-200 cm-1波數區。

圖五：DFT模擬。a）MXene晶格示意圖以及可能的吸附位點。b）不同吸附位點對碘化物的吸附能。Nb吸附位處最終最佳化的差分電荷密度模型c）碘離子，d）碘單質，e）碘三離子。f）MXene載體吸附碘化物前後的DOS態密度曲線。

Xinliang Li, Na Li, Zhaodong Huang, Ze Chen, Guojin Liang, Qi Yang, Mian Li, Yuwei Zhao, Longtao Ma, Binbin Dong, Qing Huang, Jun Fan, Chunyi Zhi, Enhanced Redox Kinetics and Duration of Aqueous I2/I− Conversion Chemistry by MXene Confinement, Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202006897