水系鋅碘電池因其安全環保、理論容量高和鋅/碘資源豐富等優點受到廣泛關註。基於單電子轉換（I⁻/I₂）的傳統鋅碘電池表現出較低的理論容量（211 mAh g⁻¹），近期報道的基於六電子轉換（I^–/IO₃^–）的鋅碘電池容量和能量密度獲得顯著提升（1200 mAh g⁻¹/1357 Wh kg⁻¹）。然而，正極側I⁻/IO₃⁻的可逆氧化還原反應存在挑戰：（1）高價碘（I⁵⁺）的電化學形成受到低轉化效率和不穩定中間體的阻礙；（2）IO₃⁻在電解液中高度可溶，而常規活性碳宿主材料對IO₃⁻的吸附穩定作用有限，導致循環容量快速衰減；（3）I⁻/I⁰（0.54 V）和I⁰/I⁵⁺（1.20 V）之間0.66 V的電勢差帶來的高能壘（6.01 eV）阻礙了I⁻/IO₃⁻可逆電化學氧化還原反應，導致反應動力學緩慢，轉化效率低。因此，設計新型正極宿主材料，提高碘轉化效率和穩定性，對於實現高價碘的多電子轉化反應，提高鋅碘電池的性能至關重要。

化學科學與工程學院劉明賢教授團隊長期致力於高效儲能材料研究並應用於新能源電池開發，課題組近期設計了噻唑類共價有機框架（TZ-COFs）負載C₃H₉IS作為正極材料，構建了穩定六電子碘轉化（I⁻/IO₃⁻）的鋅碘電池。與傳統無機碘相比，C₃H₉IS更容易暴露活性中心，TZ-COFs中C=N/C−S基團顯著降低了碘轉化反應活化能，並能有效錨定可溶性高價態IO₃⁻，實現I⁻/I⁵⁺高效可逆轉換，將鋅碘電池容量和能量密度提升至新的水平（1296 mAh g⁻¹/1464Wh kg⁻¹）。相關研究成果以“High-Conversion-Efficiency and Stable Six-Electron Zn-I₂ Batteries Enabled by Organic Iodide/Thiazole-Linked Covalent Organic Frameworks”為題在線發表於國際能源和環境領域權威期刊《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)。

實驗表征和理論計算表明：選擇均苯三甲醛和2, 6-萘二胺為反應原料，在溫和條件下與硫發生反應，成功合成了噻唑基共價有機框架（TZ-COFs），其展示出低能帶間隙、高導電性和穩定性，有助於捕獲碘物種並加速碘的氧化還原反應動力學。 

電化學研究表明：組裝的Zn||TZ-COFs/C₃H₉IS電池，表現出高容量（1296 mAh g⁻¹）、高能量密度（1464 Wh kg⁻¹）和高的碘轉化效率（97%）。      

異位光譜研究表明：C₃H₉IS/TZ-COFs電極發生可逆的六電子氧化還原反應，包括I⁻/I₂ (0.54/0.41V), I₂/I⁺ (0.93/0.80V)和I⁺/IO₃⁻(1.20/1.03 V)轉換。  

理論計算和差分電荷表明含有噻唑基活性位點的TZ-COFs與碘物種之間具有強的化學吸附作用，TZ-COFs中C=N/C−S基團顯著降低了碘轉化反應活化能，催化高轉化效率和穩定六電子（I⁻/I₂/I⁺/IO₃⁻）碘轉化反應，該研究為高性能鋅碘電池設計提供了新的思路。

化學科學與工程學院博士後杜文燕為論文第一作者，劉明賢教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委、上海市科委和中國博士後科學基金會的資助。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00365b