应用成果

DOI:10.1039/d5ee01691f

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厦门大学赵金保教授、杨阳副教授团队采用焦耳热超快高温（UHT）处理技术，快速制备了一种仿生碳基复合材料——活性炭布包裹铁镍合金纳米颗粒（Fe-Ni@ACC）。该材料作为高性能中间层，能够显著提升锌碘电池的稳定性、可逆性和面容量。受生物结构启发，该材料设计类似莲蓬结构，其中铁镍合金纳米颗粒（类似于莲子）被牢固地嵌入并包裹于活性炭纤维（类似于莲蓬壳）内部。这种设计不仅确保了纳米颗粒催化剂与碳主体之间的强结合力和高效电子转移，还通过超快高温处理实现了铁镍合金纳米颗粒的均匀分散。高温自发蚀刻效应诱导形成了大量纳米腔，这些类似莲蓬反应腔的结构能够有效容纳从电极扩散至本体电解质中的碘物种。此外，铁镍合金独特的电子结构促进了其与碘p轨道的d-p轨道杂化，相较于单一组分的铁或镍纳米颗粒，显著提升了反应动力学性能。得益于上述优势，采用Fe-Ni@ACC中间层的锌-碘电池在1 C电流密度下实现了4.05 mAh cm−2的超高面容量，并在20 C高电流密度下经过12000次循环仍展现出优异的循环稳定性。

背景介绍

锌碘电池因其低成本、高安全性和能量密度备受关注，但多碘化物溶解（穿梭效应）和缓慢的碘氧化还原动力学限制了其实际应用。传统策略如单原子催化剂（SACs）易聚集且合成复杂，而纳米颗粒催化剂活性不足。本文受莲蓬结构启发，设计了一种新型Fe-Ni合金纳米颗粒嵌入碳基体的夹层，通过超快焦耳热技术实现高效催化与稳定结构。

本文亮点

（1）仿生结构设计：通过焦耳加热UHT处理技术，在活性碳纤维上制备出模拟莲子结构的Fe-Ni@ACC夹层，有效提升多碘离子的吸附能力和碘的氧化还原动力学。

（2）高效催化性能：Fe-Ni合金纳米粒子通过d-p轨道杂化显著加速多碘离子的转化，提升电池性能。

（3）超长循环寿命：采用Fe-Ni@ACC夹层的锌碘电池在20 C倍率下实现了超过12000次的循环寿命，面积容量高达4.05 mAh cm-2。

图文解析

图1：合成示意图及材料表征

图（a）展示了Fe-Ni@ACC的合成过程，通过超快焦耳热技术（UHT）在极短时间内（1.4秒）升温至1550 K，实现Fe-Ni合金纳米颗粒的均匀分散和纳米腔的形成。图（b）类比莲蓬结构，Fe-Ni纳米颗粒（莲子）被包裹在活性碳纤维（莲蓬）中，形成稳定的催化反应腔，有效吸附并催化多碘化物转化。图（c）SEM图像显示Fe-Ni合金纳米颗粒（-25 nm）均匀分布在碳纤维表面，无团聚现象。图（d）高倍SEM显示，纳米颗粒嵌入碳纤维的纳米腔中，形成类似“莲蓬”结构的封装模式。图（e）TEM进一步证实纳米颗粒被碳层包裹，防止循环过程中脱落。图（f）EDS元素映射显示Fe和Ni均匀分布，表明成功形成Fe-Ni合金。图（g）XRD显示，Fe-Ni合金的特征峰（JCPDS No. 47-1417），碳基底保持完整结构。图（h）Raman光谱中ID/IG比（0.90）高于原始ACC，表明UHT处理引入更多缺陷位点，提升催化活性。图（i）N₂吸附-脱附曲线显示，Fe-Ni@ACC具有更高的比表面积（1207 m² g⁻¹）和丰富的微孔/介孔结构，有利于碘物种的存储与转化。

图2：化学状态与局域结构

图（a-b）XPS证实Fe 2p（707.3 eV）和Ni 2p（852.6 eV）的零价态特征，表明合金形成。图（c-d）XANES谱显示Fe和Ni的电子结构与金属箔相似，进一步确认合金态。图（e-f）EXAFS谱中仅观察到Fe-Fe/Ni-Ni键，无Fe-O/Ni-O键，证明合金纯度。图（g-l）WT-EXAFS显示Fe-Ni相互作用（2.08 Å），区别于单金属或氧化物，证实固溶体合金结构。

图3：吸附与电化学性能

图（a-d）UV-Vis和照片显示Fe-Ni@ACC对I₃⁻的吸附能力显著优于对照组（Pristine ACC），溶液更澄清。图（e）的CV曲线中Fe-Ni@ACC的氧化还原峰电流更高，极化更小（ΔE = 0.143 V），表明更快的反应动力学。图（f-g）LSV和Tafel斜率分析显示，Fe-Ni@ACC的氧化（180 mV dec⁻¹）和还原（228 mV dec⁻¹）过电位更低。图（h-j）电容贡献分析表明，Fe-Ni@ACC的赝电容占比达80.8%（0.5 mV s⁻¹），远高于Pristine ACC，说明其优异的电荷传输能力。

图4：电池性能

图（a-c）自放电测试显示Fe-Ni@ACC组48小时后容量保持率94.19%，显著优于对照组（81.51%）。图（d-e）的EIS和Arrhenius曲线表明，Fe-Ni@ACC的电荷转移电阻（40.1 Ω）和活化能（35.08 kJ mol⁻¹）更低。图（f）倍率性能优异，1 C下面积容量达4.05 mAh cm⁻²，20 C仍保持1.97 mAh cm⁻²。图（g-i）长循环测试显示20 C下12,000次循环无衰减，库仑效率>99.7%。图（j-k）软包电池成功点亮LED并驱动风扇，性能优于文献报道的Zn-I₂电池。

图5：机理研究

图（a-f）原位UV-Vis和Raman结果证实，Fe-Ni@ACC有效抑制I₃⁻/I₅⁻信号，实现快速转化（I₃⁻ → I⁻）。图（g-i）DFT计算显示Fe-Ni合金对I₂的吸附能更强（-1.52 eV），且I₃⁻ → I⁻的能垒最低（0.27 eV），d-p轨道杂化促进电子转移。

总结与展望

本文通过仿生“莲蓬”结构设计，成功制备了Fe-Ni@ACC电催化夹层，显著提升了水系锌碘电池的性能。该夹层不仅有效抑制了多碘离子的穿梭效应，还加速了碘的氧化还原反应，实现了高面积容量和超长循环寿命。未来研究可进一步探索其他仿生结构在电化学储能领域的应用，推动高性能电池技术的发展。

通讯作者简介

赵金保，厦门大学特聘教授，博士生导师，国家高层次人才计划入选者。现任新能源汽车动力电源技术国家地方联合工程研究中心（厦门大学）主任、电化学技术教育部工程研究中心（厦门大学）主任等职。长期从事电化学储能（特别是锂电池）及其关键材料的研究，发表科学研究论文逾 300 篇，申请锂离子电池关联发明专利 200 多项，其中 130 余项已获授权（包括日本和美国专利 50 余项），内容涵盖锂离子电池用功能性电解液、高安全性隔膜材料、硅基负极材料、固体电解质、电池设计与制备技术等多个方向，部分重要成果广泛被美国苹果、特斯拉、日本松下、日立等公司利用，具有丰富的电池设计和制造等方面的实践经验。研究也涉及燃料电池等其他能源电化学领域。 2011年全职回国后，主持国家重点项目，国家级、省级和市级等项目30余项，与中创新航、日立、昭和电工等20余家国内外知名企业、电池领域龙头企业有技术交流和合作。代表性的创新成果有（1）发明锂离子电池用高容量硅碳@高结晶碳复合负极材料，被高比能量密度锂离子电池全面使用。（2）发明基于锰基正极材料（含三元材料）锂离子电池用功能电解液，解决了高温条件下该体系在储存和循环过程中的劣化问题。（3）在国内率先实现水基涂布高安全性功能陶瓷隔膜的产业化，并率先在动力电池中应用，开发了国际领先的第三代功能隔膜，实现230℃下零收缩。（4）实现解决“卡脖子”技术：锂离子电池包装用铝塑膜技术的全国产化和产业化；（5）实现了低成本化和环境友好的钠离子电池正极材料的大规模产业化等，社会效益和经济效益显著。 

杨阳，厦门大学副教授，博士生导师，厦门大学南强青年拔尖人才计划。2013.09-2018.07厦门大学，硕博连读（导师：赵金保教授）。2018.08-2021.09广东工业大学，特聘副教授，硕士生导师；2021.10至今，厦门大学化学化工学院，副教授，博士生导师；承担多项国家级、省级自然基金，研究方向主要集中于快充型锂离子电池、高安全性水系锌离子电池、原位电化学表征技术。

本文使用的焦耳加热装置由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持和认可!

焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。