英文原题：Dual-functional Fe₃O₄-decorated porous carbon nanosheets for kinetics-enhanced aqueous zinc–iodine batteries
作者：Dewei Wang*, Xiangyu Kong, Zuoshu Wang, Xinyang Zhang, Jie Zhang, Yuhong Chen
01 论文信息
论文信息
Dewei Wang, Xiangyu Kong, Zuoshu Wang, Xinyang Zhang, Jie Zhang and Yuhong Chen. Dual-functional Fe₃O₄-decorated porous carbon nanosheets for kinetics-enhanced aqueous zinc-iodine batteries[J].Green Carbon, 2025.
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.06.005
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Dual-functional Fe₃O₄-decorated porous carbon nanosheets for kinetics-enhanced aqueous zinc–iodine batteries
中文解读原链接
Green Carbon封面文章 | 北方民族大学汪德伟副教授：双功能 Fe₃O₄修饰多孔碳纳米片助力水系锌-碘电池性能提升
02 背景简介
在全球变暖问题日益严峻的背景下，风能、太阳能等低碳能源技术的发展成为国际社会关注的焦点。然而，这类能源存在间歇性与波动性，难以实现持续稳定供电，因此高效能源存储系统的研发至关重要。水系可充电电池（如锌-碘电池，ARZIBs）因成本低、环境友好、安全性高、循环寿命长等优势，成为大规模能源存储的理想选择。然而，ARZIBs的实际应用仍面临碘还原反应动力学缓慢和多碘化物“穿梭效应”两大挑战。
北方民族大学汪德伟副教授团队在Green Carbon发表题为“Dual-functional Fe₃O₄-decorated porous carbon nanosheets for kinetics-enhanced aqueous zinc–iodine batteries”研究论文，并被选为封面文章。该工作提出将Fe₃O₄纳米颗粒嵌入多孔碳纳米片（Fe₃O₄ NPs@PCNs）作为碘宿主材料，有效提升了ARZIBs的性能。
03 文章简介
新型碘宿主材料的制备与结构优势
研究团队通过碳热还原法成功合成 Fe₃O₄ NPs@PCNs材料，该材料兼具高比表面积（1407.8 m²/g）与独特的双功能特性：多孔碳纳米片（PCNs）提供充足的物理限域空间，可抑制碘的溶解与流失；Fe₃O₄纳米颗粒则凭借自身极性与催化活性，强化对碘的吸附能力，并加速碘还原反应的可逆转化。通过扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）观察发现，Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散于多孔碳纳米片表面，无明显团聚现象，且材料保留了丰富的微孔与介孔结构，能充分容纳碘分子与多碘离子，为后续电化学性能提升奠定结构基础。
图1. Fe₃O₄ NPs@PCNs结构表征
电化学性能的显著提升
基于 Fe₃O₄ NPs@PCNs的ARZIBs展现出优异的综合性能：在0.5 A/g电流密度下，比容量达269.8 mAh/g，其中85%的容量来自放电平台，表明电池能量输出稳定；即便在20 A/g的高电流密度下，仍能保持211.1 mAh/g的比容量，体现出出色的倍率性能；更重要的是，该电池在5 A/g电流密度下循环 15000次后，容量保持率高达101.5%，且自放电现象显著缓解，解决了传统ARZIBs循环稳定性差的痛点。对比实验表明，与多孔碳纳米片（PCNs）相比，Fe₃O₄ NPs@PCNs能有效降低电极极化（从70 mV降至30 mV），提升电荷转移速率，其电荷转移电阻（7.6 Ω）远低于PCNs（28.8 Ω），充分证明Fe₃O₄纳米颗粒对反应动力学的促进作用。
图2. Fe₃O₄ NPs@PCNs/I₂正极的电化学性能分析
性能提升机制的揭示
通过紫外-可见光谱（UV-vis）、X 射线光电子能谱（XPS）及密度泛函理论（DFT）计算，团队明确了Fe₃O₄ NPs@PCNs提升ARZIBs性能的核心机制：Fe₃O₄中的Fe²⁺与Fe³⁺具有空 d 轨道（路易斯酸特性），可与多碘离子（路易斯碱）形成配位键，增强对多碘化物的吸附能力，抑制穿梭效应；同时，Fe₃O₄的极性特性促进电子转移，使碘分子发生极化，加速碘还原反应，降低反应活化能（从32.78 kJ/mol降至18.94 kJ/mol）。此外，多孔碳纳米片的高比表面积提供了充足的活性位点，与Fe₃O₄的催化作用形成协同效应，共同实现了碘的高效负载、稳定存储与快速转化。
图3. Fe₃O₄ NPs@PCNs/I₂正极的能量存储机制分析
总结与展望
本研究通过设计Fe₃O₄ NPs@PCNs双功能碘主体材料，成功解决了水系锌-碘电池碘还原动力学缓慢与多碘化物穿梭的关键问题，为高性能ARZIBs的研发提供了新策略。该材料的制备方法简单可控，性能优势显著，有望推动水系锌-碘电池在大规模可再生能源存储、智能电网等领域的实际应用。
04 作者简介
汪德伟 副教授
汪德伟，北方民族大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，主要从事水系储能材料与器件研究。入选国家民委中青年英才培养计划和宁夏青年科技人才托举工程。主持（完成）国家自然科学基金、中国科学院“西部之光”人才培养项目、宁夏重点研发项目、宁夏自然科学基金等。以第一/通讯作者在Green Carbon、Rare Metals、Carbon、Chemical Engineering Journal等期刊发表论文60余篇，引用2600余次，H因子28。
05 Green Carbon
期刊官网：Green Carbon官网
投稿网址：Green Carbon投稿
公众号：Green Carbon公众号
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