4f-5d轨道“分工协同”催化机制助力超高负载锌碘电池！祝贺陈茂鑫等在《 Nature Communications 》上发表最新成果!

祝贺陈茂鑫等的论文"4f-5d orbital tag-team catalysis empowers high-loading zinc–iodine batteries"在 Nature Communications 上发表。

近日，我们团队与南开大学王卫超教授团队合作，在水系锌碘电池电催化剂设计方面取得重要突破。针对高负载条件下碘还原反应动力学缓慢与穿梭效应严重的难题，提出了一种基于Ce单原子催化剂的4f-5d轨道"分工协同"催化机制。该研究成功突破了传统催化剂在"吸附"与"活化"之间的 Sabatier 权衡，为超高能量密度锌碘电池的开发提供了新路径。

水系锌碘电池具有本征安全和低成本优势，但高碘负载下的"穿梭效应"和缓慢动力学限制了其大规模应用。我们团队发现，传统d区单原子催化剂面临Sabatier原理的局限：吸附过强会抑制中间体活化，吸附过弱则无法锚定多碘化物。这种"吸附-活化"间的固有权衡，使得在高负载下难以同时实现强锚定和快转化 。

聚焦这一问题，我们团队构建了机器学习引导的描述符框架，从41个电子特征中筛选出d/f轨道电子占据数 (N_d+N_f) 和净电荷极化 (ΔBader-N_f) 两个关键描述符，并据此识别出Ce SACs为最优催化中心。其独特机制在于4f与5d轨道"分工协同"：5d轨道负责"锚定"：通过强键合作用有效捕获碘中间体，抑制穿梭效应 。4f轨道负责"活化"：近费米能级的4f轨道引入反键相互作用，选择性削弱I-I键，加速反应转化。这种机制在分子轨道层面实现了吸附与活化两个关键步骤的解耦调控。

机器学习助力锌碘电池电子结构描述符发现

基于这一"轨道级"设计策略，我们团队成功合成了一系列M-N-C单原子催化剂 。实验结果显示:Ce SACs/I₂正极在0.5 A g^-1下展现出256 mAh g^-1的高比容量，过电位仅为12.5 mV。在10 A g^-1的高倍率下，循环衰减率仅为0.015 %。扣式电池在44.7 mg cm^-2的极高碘负载下，实现了10.2 mAh cm^-2的高面容量。软包电池在115 mg cm^-2的创纪录负载下，面容量高达25.6 mAh cm^-2，且稳定运行超过 5 个月。

不同SACs对正极电化学性能的影响

与以往仅依靠结构调控或无机填料改善性能的思路不同，本工作通过4f-5d轨道的精准协同，从电子结构层面攻克了催化领域的Sabatier瓶颈。这一"轨道协同调控"策略不仅为高性能锌碘电池的设计提供了新范式，也为锂硫电池、氧析出(OER)等涉及多步转化反应的体系提供了普适性的机制参考。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70908-z#citeas

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70908-z