第一作者：清华大学化工系博士后李昀芮
通讯作者：清华大学化工系长聘副教授张如范
通讯单位：清华大学化工系
Doi:https://doi.org/10.1021/jacs.4c12601
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近日，清华大学化工系张如范团队在双功能锌-空气电池（简称锌空电池）催化剂研究方面取得重要进展，显著提升了氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）性能，推动了水系可再充锌空气电池（a-r-ZABs）的性能提升与实际应用。
先进的能量存储和转化技术在现代社会中发挥着至关重要的作用。a-r-ZABs由于其高能量密度、低成本和高安全性等优势被公认为理想的电能存储与转化技术之一。然而，锌空电池的充放电过程中空气电极上氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）反应的不同要求对设计高性能的水系可再充锌空电池提出了挑战。张如范团队从双功能锌空电池催化剂反应机理出发，通过精确调控原子和电子结构，将用于提升ORR活性位点的钴元素（Co）和辅助活性位点锡元素（Sn）同时引入到具有优异OER活性的二氧化钌（RuO2）的近表面和表面，设计了一种高性能的单相三金属双活性位点氧化物催化剂（Sn-Co/RuO2）。所引入的辅助活性位点元素Sn有效地调节了Ru和Co双活性位的原子和电子环境，优化了中间物种*OOH与*OH的吸附行为，促进了ORR和OER反应过程中最终产物的释放，降低了产物积累所造成的负面影响。Sn-Co/RuO2催化剂表现出优异的双功能性能，ORR和OER的氧电势差（∆E）降低为0.628V，并且在经过20万次的加速循环测试后，ORR活性几乎没有衰减。基于Sn-Co/RuO2催化剂的水系可再充锌空电池在-30-65 ℃的宽温度范围内表现出极为出色的性能。在-20 ℃，电池经过138天超长时间运行之后，性能几乎无衰减。
研究团队采用简单的热解方式制备了片状颗粒堆积的Sn-Co/RuO2催化剂，颗粒的平均粒径在10.2 nm，片状厚度在 4~5 nm。球差电镜结果证实Co和Sn同时被引入到RuO2中，形成了单相的结构。
研究团队进一步分析发现Sn和Co主要分布在RuO2的表面和近表面， Sn的引入会使得Co和Ru双活性位点的价态结构和电子结构得到优化。
图3. 基于Sn-Co/RuO2的水系可再充锌空电池性能评价
性能评价证明，基于Sn-Co/RuO2催化剂的a-r-ZABs在-30-65 ℃的宽温域内展现出优异的性能，尤其是在-20 ℃的低温下进行138天循环充放电测试之后，性能几乎无衰减。
图4. 原位和非原位的表征对结构-性能关系进行深度刨析研究团队通过原位和非原位的实验进一步揭示了Sn的引入有效地调节了Ru和Co双活性位的原子和电子环境，优化了*OOH和*OH的吸附行为，加速了最终产物的释放，降低了反应能垒，有利于反应的循环进行。所制备的水系可再充锌空电池在138天的超长时间稳定性测试后，Sn-Co/RuO2催化剂的结构几乎未发生明显变化，展现出优异的稳定性能。本工作结合理论分析从电子和原子结构上设计催化剂，并取得了优异的性能，对于发展高性能双功能催化剂及水系可再充锌空气电池提供了一种新思路。张如范，清华大学化工系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology、Exploration、Carbon and Hydrogen、Clean Energy、石油化工及化工环保青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文128篇。申请发明专利20余项；撰写学术专著7部。曾获中国石油和化学工业联合会青年创新奖（2024）、中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。http://www.rufanzhang-group.cn/
