水系锌-碘电池（AZIBs）因其固有的高安全性、环境友好及成本效益，正逐渐成为下一代能源存储系统中有力竞争者。然而，诸如碘导电性差以及碘中间体所引发的穿梭效应等挑战，锌碘电池面临氧化还原动力学缓慢、自放电严重、循环寿命有限和库仑效率低下等问题，阻碍其广泛应用。为了解决上述问题，研究者关注对碘物种进行物理/化学限域，并加速三碘离子（I3-到I-）转化，以降低其穿梭概率。单金属原子催化剂（SACs）以近 100%的原子利用率、显著增强的催化活性和优良的导电性，已成为克服传统催化剂局限并推动锌-碘电池发展的候选催化剂。 尽管单金属原子催化剂（SACs）因其独特的电子和几何结构展现出高催化活性，但在运行条件下，它们往往易于聚集，降低其稳定性及催化性能。合理设计双原子催化剂（DACs）已成为解决这些问题的有效途径。DACs中的双金属位点不仅能够通过短程/中程电子相互作用优化两个金属核心的电子构型，还提供了额外吸附位置，以协同调节中间体吸附。双原子位点催化剂在反应过程中不易失活，具有较高的稳定性和持久性，适用于长时间的催化反应。虽然理论上DACs相较SACs展示出更优越的催化性能，但它们在水系锌-碘电池中的应用尚缺乏实验验证。此外，DACs 对碘转化反应所涉及的催化机制仍然不明确。

鉴于此，团队对水系锌-碘电池中的锌基双原子催化剂（Zn-based DACs）的应用进行了深入研究。通过计算筛选，选取MnZn-NC作为研究模型，揭示了自旋交换作用的重要性，MnZn双原子催化剂有效抑制了多碘化物的穿梭效应，并促进了碘的转化反应。以MnZn-NC催化剂作为碘宿主的锌碘电池不仅展现出较高的比容量，还在 320,000 次的长循环过程中表现出卓越的稳定性，推动水系锌-碘电池发展。其相关成果以题为“Diatomic Catalysts for Aqueous Zinc-Iodine Batteries：Mechanistic Insights and Design Strategies”在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表，第一作者为东北大学博士研究生黑鹏。

3.【研究亮点】

⭐借助理论计算，筛选多种M-Zn 原子对（M=Mn、Fe、Co、Ni 和 Cu），预测了这些DAC在碘转化反应中的催化性能。结合吸附不同碘物种后的pCOHP、iCOHP、Bader电荷、吸附能以及三碘化物的分解能垒等多项指标，对不同M-Zn金属对进行了理论分析。最终，初步确定MnZn-NC作为最优催化剂，进一步研究其在锌碘电池中的应用。

⭐ MnZn-NC/I₂ 阴极在 1 A g⁻¹ 电流密度下展现了 224 mAh g⁻¹ 的高比容量，明显优于单原子催化剂（SACs）Zn-NC/I₂ 和 Mn-NC/I₂。此外，MnZn-NC 还表现出优异的稳定性，在 16 A g⁻¹ 的高电流密度下，组装的锌碘电池能够运行超过 320,000 次循环。

⭐实验结果与理论计算表明，Mn-Zn双原子间借助自旋交换作用协同优化二者电子结构，增强Mn金属性，提升Zn原子d带中心，促进了MnZn-NC与碘基物种之间的化学相互作用。该机制同样适用于解释其他金属-Zn-NC催化剂在水系锌-碘电池中的应用。

4.【文献链接】

P. Hei, Y. Sai, W. Li, J. Meng, Y. Lin, X. Sun, J. Wang, Y. Song, X. Liu, Diatomic Catalysts for Aqueous Zinc-Iodine Batteries: Mechanistic Insights and Design Strategies.

Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202410848

https://doi.org/10.1002/anie.202410848