【文档内容分析结果】 一、文章中文标题 碳-卤素键取代实现非腐蚀性稀电解液中碘四电子氧化还原的高利用率

《Nature Communications》：Carbon-halogen bond substitution enables high-utilization four-electron iodine redox in noncorrosive dilute electrolytes

二、编辑推荐语 当前水系Zn||I2电池面临I2利用率低，尤其在I0/I+氧化还原过程，且高负载下问题更突出。研究人员为寻求在非腐蚀性稀电解液中的替代路径，开展了碳-卤素键取代（carbon-halogen bond substitution）策略的研究。他们利用低浓度、非腐蚀性有机卤化物添加剂（2-溴乙酰胺， BrAce），成功触发可逆的Br-C···I(0)和C-I(+)-Br键取代，从而解锁了更热力学有利的I0/I+氧化还原路径。该途径不仅降低了氧化还原能垒，还强化了I+物种的抗水解能力。最终实现了高I2负载（8.6~24.0 mg cm-2）下四电子Zn||I2电池的稳定运行，获得了高利用率、高倍率性能与长循环寿命。这项研究为开发可扩展、高能量、可持续的水系电池开辟了新方向。

　　

五、论文解读文章

水系锌碘电池因其成本低、安全性高而备受关注，其核心反应涉及碘离子（I^-）到碘单质（I⁰）再到高价碘（I⁺）的氧化还原过程，理论上能实现“四电子”转移，从而获得高能量密度。然而，理想很丰满，现实很骨感。在实际应用中，尤其是在高活性物质载量下，关键的I⁰/I⁺氧化还原步骤往往“拖后腿”，导致碘的利用率低下，电池性能大打折扣。更麻烦的是，为了促进这个反应，以往的研究常常诉诸于高浓度、强腐蚀性的电解液，这又带来了成本高、设备腐蚀和环境影响等新问题。有没有一种方法，能在温和、稀释的电解液环境中，巧妙地“解锁”这个难以进行的氧化还原步骤，让碘的四电子反应“畅行无阻”呢？这正是发表在《Nature Communications》上的这项研究试图解答的核心问题。

为了攻克这一难题，研究团队没有遵循传统的增强碘溴互卤键（I-Br）的思路，而是另辟蹊径，提出了一种独特的“碳-卤素键取代”策略。他们选用了一种低浓度（0.7 M）、非腐蚀性的有机卤化物——2-溴乙酰胺（BrAce）作为电解液添加剂。通过一系列电化学测试、光谱分析和理论计算，他们系统研究了BrAce如何影响碘的氧化还原行为。

研究的核心结论可以概括为：BrAce的引入，触发了一种可逆的碳-卤素键取代过程（Br-C···I⁽⁰⁾和 C-I^(+)-Br），这成功绕开了传统上能垒较高的I⁰/I⁺直接氧化路径。这种新机制，通过精细调控互卤键（I^(δ+)-Br）的轴向δ空穴活性，同步实现了两个目标：一是显著降低了I⁰氧化为I⁺的热力学能垒；二是有效稳定了生成的高价碘（I⁺）物种，使其不易发生水解副反应。这就像为反应铺了一条“专用快速路”并加固了路桥，让车流（电子转移）更顺畅，道路（活性物质）更耐久。

研究结果部分通过多个维度证实了这一途径的有效性：

1. 1.
   电化学性能验证：使用BrAce添加剂后，电池在高碘负载（8.6至24.0 mg cm^-2）下展现出卓越的性能。在高电流密度（5.8至46.4 mA cm^-2）下，碘的利用率高达55%至80%，远优于传统体系。
2. 2.
   长循环稳定性：电池实现了长寿命运行（>400次循环），并在接近实用的面积容量（~3.85 mA h cm^-2）下保持稳定。即使在极高的47.5 mA cm^-2电流密度下循环，容量保持率仍高达99.5%，证明了其优异的倍率性能和循环耐久性。
3. 3.
   机理深入探究：通过拉曼光谱、X射线光电子能谱等技术，直接观测到了C-I⁺键等中间产物的形成与转化，为碳-卤素键取代机制提供了坚实的实验证据。密度泛函理论计算进一步从能量角度阐明了该路径相较于传统I-Br路径的热力学优势。

归纳研究的结论与讨论，本工作的意义在于首次提出并验证了通过碳-卤素键取代来调控碘氧化还原化学的创新思路。它成功解决了水系锌碘电池在高负载下I⁰/I⁺氧化还原动力学缓慢和碘利用率低的核心瓶颈。更重要的是，这一策略是在低浓度、非腐蚀性的温和电解液中实现的，避免了高浓电解液带来的诸多弊端，极大地提升了技术的实用性和环境友好性。该研究不仅为开发高性能、可持续的水系锌碘电池提供了切实可行的解决方案，更“解锁”了非常规的卤素化学（unusual halogen chemistry），为未来设计其他基于多电子转移卤素氧化还原的高能量密度电池体系开辟了一个令人兴奋的新研究方向。