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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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