【介孔MOF】Meso-UIO-66强效固碘用于高性能四电子锌碘电池

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摘要
复旦大学赵东元院士、晁栋梁教授联合上海大学卜凡兴教授团队在Angew. Chem. Int. Ed. 2026，e3627132发表的研究中，针对四电子锌碘电池中I⁺物种易水解失活及转化动力学迟缓的难题，提出基于介孔Zr-UiO-66的强界面路易斯酸化学策略。通过胶束预配位介孔工程，在孔壁构筑大量低配位不饱和Zr路易斯酸位点，强力锚定并催化ICl₂⁻转化。该正极在10 C下比容量达390 mAh g⁻¹，100 C下循环4万次容量保持率89.7%，逼近四电子理论极限，为高比能水系电池提供了全新催化机制。

研究背景
1. 行业问题：
四电子锌碘（4e⁻-Zn-I₂）电池理论能量密度超630 Wh kg⁻¹，极具电网储能潜力。但高价I⁺物种（如ICl₂⁻）极易受水分子亲核攻击而水解失活，且I₂/I⁺转化动力学迟缓，导致高压平台容量快速衰减。
2. 现有方案：
学者们开发了单原子催化剂、缺电子Co₉S₈及卟啉基共轭聚合物等主体材料来限域碘，但高压平台容量贡献仍远低于理论值，且大电流下衰减严重，未能彻底解决I⁺的稳定与高效转化问题。
3. 本文创新：
摒弃传统弱相互作用，引入强界面路易斯酸化学。利用胶束预配位策略对Zr-UiO-66进行介孔工程，精准构筑富含不饱和Zr位点的介孔通道，实现I⁺的强化学锚定与高效催化，同时介孔保障了传质。

实验部分
1. 材料合成：
采用胶束预配位策略，以锆盐和有机配体为前驱体，引入胶束模板剂合成介孔Zr-UiO-66（Zr-Meso-UiO-66），随后通过熔融浸渍法负载I₂制备复合正极。
2. 电池组装：
以Zr-Meso-UiO-66@I₂为正极，锌片为负极，组装水系4e⁻-Zn-I₂全电池，并在不同倍率和长循环条件下进行电化学性能评估。

分析测试
1. 结构与孔隙表征：
同步辐射XAS证实介孔工程使Zr配位数降低，产生丰富不饱和位点。N₂吸脱附测试显示，Zr-Meso-UiO-66具有典型介孔特征，孔径集中在4.2 nm，BET比表面积高达1250 m²/g，为碘负载和离子传输提供了充足空间。
2. 电化学性能测试：
电池测试表明，该正极在10 C倍率下可逆容量高达390 mAh/g，逼近422 mAh/g的四电子理论极限；在100 C超高倍率下循环40,000次，容量保持率仍达89.7%，展现出极高的反应动力学和结构稳定性。
3. 吸附与原位光谱：
原位紫外-可见光谱证实，不饱和Zr位点对ICl₂⁻具有强化学吸附，有效抑制了水解副反应；电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻（Rct）显著降低，离子电导率大幅提升，确保了1.5 V高压平台的稳定输出。

机理分析
核心在于“强界面路易斯酸催化”。低配位Zr位点（路易斯酸）与ICl₂⁻（路易斯碱）产生强电子耦合，不仅锚定I⁺防其水解，DFT计算更证实该作用大幅降低了I₂/I⁺转化的热力学能垒，结合介孔通道的快速传质，实现了高效多电子转化。

总结
本文成功构建了基于介孔Zr-UiO-66的界面路易斯酸纳米反应器，通过胶束预配位策略精准调控Zr位点的配位环境，实现了对高价I⁺物种的强效锚定与催化转化。该工作将4e⁻-Zn-I₂电池性能推向理论极限，创造了100 C下4万次循环的寿命纪录，为高能量密度水系多电子电池提供了全新的界面化学设计范式。

文章标题：Interfacial Lewis Acid Chemistry Enabled by Mesoporous MOFs Toward High-Performance Four-Electron Zinc–Iodine Batteries
文章作者：Fan Yang, Zirui Lv, Hongrun Jin, Yuhang Liu, Xiaodong Rang, Wenyuan Hu, Yuanbo Song, Ying Wan, Tengsheng Zhang, Fanxing Bu, Dongliang Chao, Dongyuan Zhao
DOI：10.1002/anie.3627132
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.3627132

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复旦大学赵东元院士、晁栋梁教授和上海大学卜凡兴教授团队在Angew发表研究，提出介孔Zr-UiO-66界面路易斯酸化学策略。通过胶束预配位构筑不饱和Zr位点，强力锚定并催化I+转化。锌碘电池在10C下容量达390 mAh/g，100C循环4万次保持率89.7%。