Physicochemical Confinement Effect Enables High-Performing Zinc–Iodine Batteries

化学 电解质 氧化还原 碳纤维 无机化学 化学工程 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 材料科学 复合数 工程类 复合材料
作者
Miaomiao Liu,Qianwu Chen,Xueying Cao,Dongxing Tan,Jizhen Ma,Jintao Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (47): 21683-21691 被引量:358
标识
DOI:10.1021/jacs.2c09445
摘要

Zinc-iodine batteries are promising energy storage devices with the unique features of aqueous electrolytes and safer zinc. However, their performances are still limited by the polyiodide shuttle and the unclear redox mechanism of iodine species. Herein, a single iron atom was embedded in porous carbon with the atomic bridging structure of metal-nitrogen-carbon to not only enhance the confinement effect but also invoke the electrocatalytic redox conversion of iodine, thereby enabling the large capacity and good cycling stability of the zinc-iodine battery. In addition to the physical trapping effect of porous carbon with good electronic conductivity, the in situ experimental characterization and theoretical calculation reveal that the metal-nitrogen-carbon bridging structure modulates the electronic properties of carbon and adjusts the intrinsic activity for the reversible conversion of iodine via the thermodynamically favorable pathway. This work demonstrates that the physicochemical confinement effect can be invoked by the rational anchoring of a single metal atom with nitrogen in a porous carbon matrix to enhance the electrocatalytic redox conversion of iodine, which is crucial to fabricating high-performing zinc-iodine batteries and beyond by applying the fundamental principles.
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