Angew. Chem. ：双功能Ru(II)基COFs：耦合氧化还原位点与吸附位点实现高效锌碘电池

Zn-I₂是一种很有前景的新型储能技术，因为它能量密度高、工作电压低，而且材料环保。然而，这种电池在实际应用中面临一个关键问题：多碘化物穿梭效应。具体来说，在充放电过程中，I₂会转化为可溶性的多碘化物（如I₃^⁻、I₅^⁻），它们会在电解液中自由移动，穿梭到锌负极。这不仅会消耗活性物质，降低电池效率，还会腐蚀锌负极，甚至引发锌枝晶生长，导致电池短路或寿命缩短。

近日，江南大学顾志国教授团队创新性地设计了一种兼具Ru氧化还原中心和强多碘吸附能力的共价有机框架（COF）材料——COF-RuNCS-X（X=1-6），成功解决了锌碘电池中的多碘化物穿梭难题。该团队通过“氧化还原-吸附双功能协同”策略，使COF-RuNCS-6材料不仅能高效催化碘的氧化还原反应，还能牢牢“锁住”多碘化物（如I₃^⁻、I₅^⁻），从而显著提升电池性能。实验表明，COF-RuNCS-6具有超高放电比容量和超长循环寿命，同时还能抑制锌枝晶生长。这一设计首次将Ru催化中心与多碘吸附位点精准整合，为开发高效、稳定的锌碘电池提供了全新思路，也为其他储能体系的设计提供了重要借鉴。

紫外-可见光谱（UV-vis）分析表明，COF-RuNCS-6对I₃^⁻展现出优异的吸附能力。拉曼光谱进一步证实材料成功捕获了多碘化物。DFT计算显示，材料中的S吸附位点对多碘化物具有更强的结合能力，从理论上解释了其优异的吸附性能。CV测试在1.10 V（vs. NHE）处观察到明显的氧化峰，对应Ru(II)/Ru(III)的氧化还原过程。这一可变的价态不仅提供了额外的氧化还原活性位点，还显著加速了Zn-I₂电池的反应动力学，从而提升整体性能。

电化学测试表明，COF-RuNCS-6正极材料展现出最高的放电比容量，其性能显著优于其他五种对比材料（COF-RuNCS-X，X=1-5）。在长达5000次循环测试中，COF-RuNCS-6表现出优异的循环稳定性，容量保持率极高。与之形成鲜明对比的是，缺乏多碘吸附位点的COF-RuCl材料在约1000次循环后性能急剧衰减。关键的是，COF-RuNCS-6能有效阻止锌枝晶的形成。SEM表征显示，使用COF-RuCl的电池出现明显的锌枝晶，而COF-RuNCS-6组装的电池负极表面保持平整，这解释了其超长的循环寿命。

本研究开发了新型双功能COF-RuNCS材料，通过耦合Ru氧化还原中心与多碘吸附位点，显著提升了锌碘电池性能。材料兼具多碘捕获和氧化还原催化功能，实现了395.8 mAh g^-1的高容量和5000次循环稳定性。软包电池测试验证了其应用潜力，该”双功能精准调控”策略为其他储能体系开发提供了新思路。

论文信息

Covalent Organic Frameworks Coupled with Redox Center and Adsorption Site for Efficient Shuttle-Free Zn-Iodine Batteries

Dr. Jing-Dong Feng, Dr. Wang-Kang Han, Jun-Jun He, Dr. Yong Liu, Dr. Ruo-Meng Zhu, Prof. Dr. Jinfang Zhang, Prof. Dr. Huan Pang, Prof. Dr. Zhi-Guo Gu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202506006