【Carbon Neutrality论文荐读】马紫峰团队：脱水诱导的氰根缺陷赋予普鲁士蓝正极自适应水调控能力以实现高性能钠离子电池

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上海交通大学马紫峰团队在Carbon Neutrality发表论文，通过可控脱水-再水化引入CN-缺陷，揭示“自适应水调控”机制，实现普鲁士蓝正极的高容量与长循环稳定。

文章亮点

1. 系统阐明了普鲁士蓝在脱水再水化过程中不可逆的结构重构，揭示CN-缺陷的形成机理；

2. 发现CN-缺陷产生结合能更低的缺陷相关水，弱化水-框架相互作用；

3. 提出自适应水调控机制：充电时缺陷相关水优先脱出，配位水与间隙水作为结构支柱稳定框架，兼顾高容量与长循环；

4. 通过自适应水调控机制实现性能可预设的高容量、长寿命、高倍率普鲁士蓝正极（1C下1500次循环容量保持率86%，3C下3000次循环保持76%）。

内容简介

在双碳目标驱动下，发展低成本、高安全的大规模储能技术，对支撑可再生能源并网、推动能源结构低碳转型具有战略意义。钠离子电池因钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉，被公认为大规模储能与低速电动交通的理想选择。在众多正极材料中，普鲁士蓝类似物（PBAs）凭借开放的框架结构、可调的电化学活性位点与低成本优势，成为极具产业化前景的正极材料。

然而，工业上最可行的水系共沉淀法合成的普鲁士蓝，不可避免地在晶格中引入大量结晶水。水的存在与动态演变严重制约其电化学性能：脱水虽能提升容量，却会引发结构坍塌与循环衰减；脱水引起的结构损伤机制、以及水在电化学循环中的真实作用，长期缺乏系统性认知。

针对这一难题，上海交通大学马紫峰教授团队通过可控的“脱水-再水化”过程，系统揭示了普鲁士蓝的结构演变与水调控行为。研究发现，脱水会不可逆地触发-CN-框架的断裂，形成[CN-]晶体缺陷，并由此产生结合能更低的缺陷相关水；第一性原理计算进一步证实了弱化的水-框架相互作用与缺陷介导的能量效应。再水化后优化的PB-3正极在循环中表现出独特的“自适应脱水”行为：充电时缺陷相关水被优先脱出，而配位水与间隙水则作为“结构支柱”持续稳定框架，从而实现高可逆容量与长循环稳定。

图文导读

结论一

脱水-再水化诱导不可逆的CN-缺陷形成

初始普鲁士蓝PB-1（Na 1.8 (Fe 0.6 Mn 0.4 )[Fe(CN) 6 ]·2.1H ₂ O）经真空脱水得到无水相PB-2，再经空气再水化得到PB-3。XRD、TG、FT-IR与O 1s XPS等表征表明：脱水诱导的单斜→菱方相变在再水化后可逆恢复，但晶格畸变与一维CN-缺陷却不可逆残留；缺陷处新生成的水吸附位点结合能显著降低（O 1s峰红移）。

图1.PB-1/2/3的合成、形貌与结构表征

结论二

CN-缺陷兼具“结构完整”与“快速离子通道”双重优势

原位XRD、原位TG-FTIR、高分辨电镜（HRTEM/GPA）、正电子湮灭寿命谱与单颗粒力学测试揭示：不同于合成过程中形成的三维 [Fe(CN)₆]⁴⁻

空位，脱水诱导的CN-缺陷是一维的，在保持晶体力学完整性的同时，为Na⁺迁移开辟了额外的快速扩散通道。

图2.脱水-再水化过程的原位结构演化与CN-缺陷表征

结论三

自适应水调控实现高容量与长循环的统一

放电比容量与平均电压随含水量降低近似线性提升（含水量每降低1%，容量提升约0.59 mAh·g⁻¹）。再水化的PB-3在循环中通过“自适应脱水”使容量由134增至140 mAh·g⁻¹ ；精确调控再水化程度后，高容量PB-3(H)在1C下400次循环保持85.6%容量，低容量PB-3(L)在1C下1500次循环保持86%、3C下3000次循环保持76%，且10C下仍保持47%容量。

图3. 含水量调控与电化学性能

结论四

原位验证与第一性原理揭示机理根源

原位XRD与XAS证实PB-3兼具含水态的“结构强化”与脱水态的“低应变、高离子电导”特性；DFT计算表明脱水促使金属离子进入高自旋态、弱化金属-水结合，同时CN-缺陷提供低能垒的Na⁺迁移路径并缩小带隙、提升电子电导。据此，作者揭示并提出自适应水脱除机理。

图4. 自适应水移除机理示意图

总结展望

从碳中和视角看，钠离子电池作为低成本、高安全的大规模储能技术，是支撑可再生能源并网、助力能源结构低碳转型的关键环节。本研究从机理层面厘清了普鲁士蓝中结晶水的角色，将传统上被视为杂质的水分子转化为可精确调控的性能调节“杠杆”，提出的“自适应水调控”原则为开发高容量、长寿命、免添加剂的实用化普鲁士蓝正极提供了新范式。展望未来，该策略可望与规模化合成及电极工程相结合，加速普鲁士蓝正极在储能电站、低速电动车等场景的产业化落地，为我国构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系提供有力支撑。

原文信息

Dehydration-induced CN- defects enable adaptive water regulation in Prussian blue cathodes for high-performance sodium-ion batteries

作者：

Hangda Chen, Huailing Jiang, Xuan Wang, Chuying Ouyang, Haiying Che, Yu Mei, Muhammad Ishaq, Pengsen Luo, Yunlong Zhang & Zi-Feng Ma

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-026-00180-z

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-026-00180-z

Cite this article：

Chen, H., Jiang, H., Wang, X. et al. Dehydration-induced CN- defects enable adaptive water regulation in Prussian blue cathodes for high-performance sodium-ion batteries. Carb Neutrality 5, 26 (2026). https://doi.org/10.1007/s43979-026-00180-z

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通讯作者信息

马紫峰，上海交通大学讲席教授

研究领域

电化学能源工程与新能源化工，聚焦钠离子电池、磷酸铁锂动力电池关键材料及系统技术。

个人简介

马紫峰，上海交通大学讲席教授、博士生导师，上海交通大学绍兴新能源与分子工程研究院院长，国家973计划首席科学家，中国化工学会会士，浙江钠创新能源有限公司创始人，中国工程院院士有效候选人。

马紫峰教授长期聚焦电化学能源与新能源化工研究，在磷酸铁锂和钠离子电池领域取得系统性创新成果。基于无机化学邻位转化规律，发明原子经济性磷酸铁锂合成新反应，突破国际专利封锁，助力我国动力电池与新能源汽车产业领先全球，成果获国家科技进步二等奖（第一完成人）。面向锂资源安全，率先建成万吨级钠离子电池正极材料及电解液产线，开发全球首套化工园区钠电储能系统，获中国石化联合会技术发明一等奖和科技进步一等奖（第一完成人）。

发表论文420余篇。授权中国发明专利104件、美国专利3件，三分之一实现转化。主编首部《过程工程导论》教材，出版《燃料电池系统》专著。培养研究生100余名。获教育部“新世纪优秀人才”、国家973计划首席科学家、上海领军人才、国际汽车锂电池协会（IALB）杰出研究奖等荣誉。

联系方式

E-mail: zfma@sjtu.edu.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

期刊介绍

Carbon Neutrality 是由上海交通大学与Springer Nature合作出版的全球首本聚焦低碳科技领域的跨学科综合性国际期刊，于2021年创刊。期刊面向碳中和科技前沿，主要刊载以低碳能源为主、同时涵盖低碳环境与碳汇技术等方向的高水平原创论文，致力于打造碳中和技术领域的旗舰期刊和国际一流学术交流平台。

期刊创刊主编由上海交通大学讲席教授赵长颖担任，荣誉主编由中国科学院工程热物理研究所金红光院士、上海交通大学黄震院士担任。12名中国两院院士担任顾问编委，国际编委26名（占比50%）。第四届国家气候变化专家委员会成员4名，全球高被引科学家7名，中国高被引学者25名。

目前，期刊已被ESCI、EI、Scopus、CAS、DOAJ、CSCD数据库收录，创刊三年即获得首个影响因子12.5，并位列JCR Q1区。期刊先后入选2023中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目、2025中国国际影响力优秀学术期刊，以及中国科协《科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告》Q1区，在150种国际影响力优秀学术期刊（自然科学与工程技术英文）中位列第5位。

Carbon Neutrality竭诚欢迎国内外低碳领域专家、学者积极投稿，携手共建碳中和领域全球科学社群！

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