近日，清华大学化工系张如范课题组开发了一种双向调控策略，通过同时在氧化钌(RuO2)中引入元素镓(Ga)和活性位点锰(Mn)，利用Ga从原子水平上对双活性位点Ru和Mn的价态结构进行优化，突破了双位点活性与稳定性之间的制约，显著提升了氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)性能及锌空气电池性能。
日益复杂的人类活动和环境问题迫切需要开发安全有效的储能和转换技术。水系可再充锌空气电池(a-r-ZABs)因其较高的理论能量密度(1086 Wh kg-1)、高安全性、低成本及锌储量丰富等优势成为有希望的下一代能源储存和转换技术。合理地设计和开发高性能的OER和ORR双功能催化剂对可充电锌空气电池的发展和应用十分重要。近年来，将一种金属位点引入到金属氧化物中形成Mn-O和Ru-O结合的双活性位点双金属单相结构催化剂(如α-Mn1-xRuxO2，Ru(0.1)-MnO2，Mn-RuO2，Mn0.3Ru0.7O2)能够解决单一位点的限制，满足ORR和OER的不同需求，引起了广泛的关注。然而，双位点之间很难满足双向调控同时实现ORR和OER活性和稳定性的提升，即一般只能使得主金属氧化物的价态结构及性能得到优化，而引入的另外一种活性位点面临活性和稳定性的抉择。因此，发展一种策略以充分地调控性能，打破活性-稳定性的限制，对于发展高性能的金属氧化物双功能催化剂尤为重要。
图1.催化剂的合成及原子结构表征
图2.催化剂的ORR和OER性能评价及双功能综合性能对比
图3.水系可再充锌空气电池性能评价
课题组基于简单的葡萄糖-尿素鼓泡法(图1)开发了一种双向调控策略，通过同时在RuO2中引入元素Ga和活性位点Mn，利用Ga从原子水平上对双活性位点Ru和Mn的价态结构进行优化，突破了传统双位点活性与稳定性之间的限制。研究人员结合实验和理论分析证实了Ga的引入造成了双活性位点Mn和Ru上的电子/电荷再分布，优化了Mn和Ru的价态结构，通过调控反应中间产物*O/*OH在活性位点上的吸附行为降低了ORR和OER反应的能垒。研究人员所开发的Ga/MnRuO2催化剂表现出优异的双功能催化性能(图2)，其电位差(ΔE)仅为0.605V，显示了优异的催化活性，其中ORR性能经过30万圈加速测试之后衰减仅为18mV
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“清华大学Angew. Chem. Int. Ed.：超高稳定性锌空气电池催化剂制备” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色网
来源：清华大学
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2025年06月06日 ~ 08日 
