DOI:10.1039/d5ee01691f

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廈門大學趙金保教授、楊陽副教授團隊采用焦耳熱超快高溫（UHT）處理技術，快速制備了一種仿生碳基復合材料——活性炭布包裹鐵鎳合金納米顆粒（Fe-Ni@ACC）。該材料作為高性能中間層，能夠顯著提升鋅碘電池的穩定性、可逆性和面容量。受生物結構啟發，該材料設計類似蓮蓬結構，其中鐵鎳合金納米顆粒（類似于蓮子）被牢固地嵌入并包裹于活性炭纖維（類似于蓮蓬殼）內部。這種設計不僅確保了納米顆粒催化劑與碳主體之間的強結合力和高效電子轉移，還通過超快高溫處理實現了鐵鎳合金納米顆粒的均勻分散。高溫自發蝕刻效應誘導形成了大量納米腔，這些類似蓮蓬反應腔的結構能夠有效容納從電極擴散至本體電解質中的碘物種。此外，鐵鎳合金獨特的電子結構促進了其與碘p軌道的d-p軌道雜化，相較于單一組分的鐵或鎳納米顆粒，顯著提升了反應動力學性能。得益于上述優勢，采用Fe-Ni@ACC中間層的鋅-碘電池在1 C電流密度下實現了4.05 mAh cm?2的超高面容量，并在20 C高電流密度下經過12000次循環仍展現出優異的循環穩定性。

背景介紹

鋅碘電池因其低成本、高安全性和能量密度備受關注，但多碘化物溶解（穿梭效應）和緩慢的碘氧化還原動力學限制了其實際應用。傳統策略如單原子催化劑（SACs）易聚集且合成復雜，而納米顆粒催化劑活性不足。本文受蓮蓬結構啟發，設計了一種新型Fe-Ni合金納米顆粒嵌入碳基體的夾層，通過超快焦耳熱技術實現高效催化與穩定結構。

本文亮點

（1）仿生結構設計：通過焦耳加熱UHT處理技術，在活性碳纖維上制備出模擬蓮子結構的Fe-Ni@ACC夾層，有效提升多碘離子的吸附能力和碘的氧化還原動力學。

（2）高效催化性能：Fe-Ni合金納米粒子通過d-p軌道雜化顯著加速多碘離子的轉化，提升電池性能。

（3）超長循環壽命：采用Fe-Ni@ACC夾層的鋅碘電池在20 C倍率下實現了超過12000次的循環壽命，面積容量高達4.05 mAh cm-2。

圖文解析

圖1：合成示意圖及材料表征

圖（a）展示了Fe-Ni@ACC的合成過程，通過超快焦耳熱技術（UHT）在極短時間內（1.4秒）升溫至1550 K，實現Fe-Ni合金納米顆粒的均勻分散和納米腔的形成。圖（b）類比蓮蓬結構，Fe-Ni納米顆粒（蓮子）被包裹在活性碳纖維（蓮蓬）中，形成穩定的催化反應腔，有效吸附并催化多碘化物轉化。圖（c）SEM圖像顯示Fe-Ni合金納米顆粒（-25 nm）均勻分布在碳纖維表面，無團聚現象。圖（d）高倍SEM顯示，納米顆粒嵌入碳纖維的納米腔中，形成類似“蓮蓬”結構的封裝模式。圖（e）TEM進一步證實納米顆粒被碳層包裹，防止循環過程中脫落。圖（f）EDS元素映射顯示Fe和Ni均勻分布，表明成功形成Fe-Ni合金。圖（g）XRD顯示，Fe-Ni合金的特征峰（JCPDS No. 47-1417），碳基底保持完整結構。圖（h）Raman光譜中ID/IG比（0.90）高于原始ACC，表明UHT處理引入更多缺陷位點，提升催化活性。圖（i）N?吸附-脫附曲線顯示，Fe-Ni@ACC具有更高的比表面積（1207 m2 g?1）和豐富的微孔/介孔結構，有利于碘物種的存儲與轉化。

圖2：化學狀態與局域結構

圖（a-b）XPS證實Fe 2p（707.3 eV）和Ni 2p（852.6 eV）的零價態特征，表明合金形成。圖（c-d）XANES譜顯示Fe和Ni的電子結構與金屬箔相似，進一步確認合金態。圖（e-f）EXAFS譜中僅觀察到Fe-Fe/Ni-Ni鍵，無Fe-O/Ni-O鍵，證明合金純度。圖（g-l）WT-EXAFS顯示Fe-Ni相互作用（2.08 ?），區別于單金屬或氧化物，證實固溶體合金結構。

圖3：吸附與電化學性能

圖（a-d）UV-Vis和照片顯示Fe-Ni@ACC對I??的吸附能力顯著優于對照組（Pristine ACC），溶液更澄清。圖（e）的CV曲線中Fe-Ni@ACC的氧化還原峰電流更高，極化更小（ΔE = 0.143 V），表明更快的反應動力學。圖（f-g）LSV和Tafel斜率分析顯示，Fe-Ni@ACC的氧化（180 mV dec?1）和還原（228 mV dec?1）過電位更低。圖（h-j）電容貢獻分析表明，Fe-Ni@ACC的贗電容占比達80.8%（0.5 mV s?1），遠高于Pristine ACC，說明其優異的電荷傳輸能力。

圖4：電池性能

圖（a-c）自放電測試顯示Fe-Ni@ACC組48小時后容量保持率94.19%，顯著優于對照組（81.51%）。圖（d-e）的EIS和Arrhenius曲線表明，Fe-Ni@ACC的電荷轉移電阻（40.1 Ω）和活化能（35.08 kJ mol?1）更低。圖（f）倍率性能優異，1 C下面積容量達4.05 mAh cm?2，20 C仍保持1.97 mAh cm?2。圖（g-i）長循環測試顯示20 C下12,000次循環無衰減，庫侖效率>99.7%。圖（j-k）軟包電池成功點亮LED并驅動風扇，性能優于文獻報道的Zn-I?電池。

圖5：機理研究

圖（a-f）原位UV-Vis和Raman結果證實，Fe-Ni@ACC有效抑制I??/I??信號，實現快速轉化（I?? → I?）。圖（g-i）DFT計算顯示Fe-Ni合金對I?的吸附能更強（-1.52 eV），且I?? → I?的能壘最低（0.27 eV），d-p軌道雜化促進電子轉移。

總結與展望

本文通過仿生“蓮蓬”結構設計，成功制備了Fe-Ni@ACC電催化夾層，顯著提升了水系鋅碘電池的性能。該夾層不僅有效抑制了多碘離子的穿梭效應，還加速了碘的氧化還原反應，實現了高面積容量和超長循環壽命。未來研究可進一步探索其他仿生結構在電化學儲能領域的應用，推動高性能電池技術的發展。

通訊作者簡介

趙金保，廈門大學特聘教授，博士生導師，國家高層次人才計劃入選者。現任新能源汽車動力電源技術國家地方聯合工程研究中心（廈門大學）主任、電化學技術教育部工程研究中心（廈門大學）主任等職。長期從事電化學儲能（特別是鋰電池）及其關鍵材料的研究，發表科學研究論文逾 300 篇，申請鋰離子電池關聯發明專利 200 多項，其中 130 余項已獲授權（包括日本和美國專利 50 余項），內容涵蓋鋰離子電池用功能性電解液、高安全性隔膜材料、硅基負極材料、固體電解質、電池設計與制備技術等多個方向，部分重要成果廣泛被美國蘋果、特斯拉、日本松下、日立等公司利用，具有豐富的電池設計和制造等方面的實踐經驗。研究也涉及燃料電池等其他能源電化學領域。 2011年全職回國后，主持國家重點項目，國家級、省級和市級等項目30余項，與中創新航、日立、昭和電工等20余家國內外知名企業、電池領域龍頭企業有技術交流和合作。代表性的創新成果有（1）發明鋰離子電池用高容量硅碳@高結晶碳復合負極材料，被高比能量密度鋰離子電池全面使用。（2）發明基于錳基正極材料（含三元材料）鋰離子電池用功能電解液，解決了高溫條件下該體系在儲存和循環過程中的劣化問題。（3）在國內率先實現水基涂布高安全性功能陶瓷隔膜的產業化，并率先在動力電池中應用，開發了國際領先的第三代功能隔膜，實現230℃下零收縮。（4）實現解決“卡脖子”技術：鋰離子電池包裝用鋁塑膜技術的全國產化和產業化；（5）實現了低成本化和環境友好的鈉離子電池正極材料的大規模產業化等，社會效益和經濟效益顯著。 

楊陽，廈門大學副教授，博士生導師，廈門大學南強青年拔尖人才計劃。2013.09-2018.07廈門大學，碩博連讀（導師：趙金保教授）。2018.08-2021.09廣東工業大學，特聘副教授，碩士生導師；2021.10至今，廈門大學化學化工學院，副教授，博士生導師；承擔多項國家級、省級自然基金，研究方向主要集中于快充型鋰離子電池、高安全性水系鋅離子電池、原位電化學表征技術。

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持和認可!

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質等領域。