水系锌碘电池因其安全环保、理论容量高和锌/碘资源丰富等优点受到广泛关注。基于单电子转换（I⁻/I₂）的传统锌碘电池表现出较低的理论容量（211 mAh g⁻¹），近期报道的基于六电子转换（I^–/IO₃^–）的锌碘电池容量和能量密度获得显著提升（1200 mAh g⁻¹/1357 Wh kg⁻¹）。然而，正极侧I⁻/IO₃⁻的可逆氧化还原反应存在挑战：（1）高价碘（I⁵⁺）的电化学形成受到低转化效率和不稳定中间体的阻碍；（2）IO₃⁻在电解液中高度可溶，而常规活性碳宿主材料对IO₃⁻的吸附稳定作用有限，导致循环容量快速衰减；（3）I⁻/I⁰（0.54 V）和I⁰/I⁵⁺（1.20 V）之间0.66 V的电势差带来的高能垒（6.01 eV）阻碍了I⁻/IO₃⁻可逆电化学氧化还原反应，导致反应动力学缓慢，转化效率低。因此，设计新型正极宿主材料，提高碘转化效率和稳定性，对于实现高价碘的多电子转化反应，提高锌碘电池的性能至关重要。

化学科学与工程学院刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池开发，课题组近期设计了噻唑类共价有机框架（TZ-COFs）负载C₃H₉IS作为正极材料，构建了稳定六电子碘转化（I⁻/IO₃⁻）的锌碘电池。与传统无机碘相比，C₃H₉IS更容易暴露活性中心，TZ-COFs中C=N/C−S基团显著降低了碘转化反应活化能，并能有效锚定可溶性高价态IO₃⁻，实现I⁻/I⁵⁺高效可逆转换，将锌碘电池容量和能量密度提升至新的水平（1296 mAh g⁻¹/1464Wh kg⁻¹）。相关研究成果以“High-Conversion-Efficiency and Stable Six-Electron Zn-I₂ Batteries Enabled by Organic Iodide/Thiazole-Linked Covalent Organic Frameworks”为题在线发表于国际能源和环境领域权威期刊《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)。

实验表征和理论计算表明：选择均苯三甲醛和2, 6-萘二胺为反应原料，在温和条件下与硫发生反应，成功合成了噻唑基共价有机框架（TZ-COFs），其展示出低能带间隙、高导电性和稳定性，有助于捕获碘物种并加速碘的氧化还原反应动力学。 

电化学研究表明：组装的Zn||TZ-COFs/C₃H₉IS电池，表现出高容量（1296 mAh g⁻¹）、高能量密度（1464 Wh kg⁻¹）和高的碘转化效率（97%）。      

异位光谱研究表明：C₃H₉IS/TZ-COFs电极发生可逆的六电子氧化还原反应，包括I⁻/I₂ (0.54/0.41V), I₂/I⁺ (0.93/0.80V)和I⁺/IO₃⁻(1.20/1.03 V)转换。  

理论计算和差分电荷表明含有噻唑基活性位点的TZ-COFs与碘物种之间具有强的化学吸附作用，TZ-COFs中C=N/C−S基团显著降低了碘转化反应活化能，催化高转化效率和稳定六电子（I⁻/I₂/I⁺/IO₃⁻）碘转化反应，该研究为高性能锌碘电池设计提供了新的思路。

化学科学与工程学院博士后杜文燕为论文第一作者，刘明贤教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会的资助。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00365b