Congratulations to Zhu Ping on the acceptance of the paper "Valence-Shell Electrons and Ionic Radius as Descriptors for Multi-site Doping of RuO2 for Durable Zn-air Batteries" by JACS!

5月26日，本课题组研究论文“Valence-Shell Electrons and Ionic Radius as Descriptors for Multi-site Doping of RuO₂ for Durable Zn-air Batteries”被国际化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society接收。论文通讯作者为清华大学化工系张如范副教授，第一作者为本课题组博士后朱平。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.6c02589

随着可再生能源的大规模发展，太阳能、风能等间歇性能源对高效、安全、低成本储能技术提出了更高需求。可充电锌空气电池因具有高理论能量密度、良好安全性和成本优势，被认为是下一代大规模储能体系的重要候选之一。然而，锌空气电池的放电和充电过程分别涉及氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER），其实际性能高度依赖空气电极上双功能氧电催化剂的活性与稳定性。目前，Pt/C和IrO₂仍分别是ORR和OER的基准催化剂，但贵金属资源稀缺、成本高昂，限制了其大规模应用。

近年来，RuO₂因其优异的OER活性，被认为是替代IrO₂的重要候选催化剂。通过异质元素掺杂和多活性位点构筑，Ru基催化剂的电子结构、局域配位环境和氧反应路径可被有效调控，从而兼顾OER活性和ORR性能，使其成为可充电锌空气电池空气电极材料的重要研究方向。本课题组围绕Ru基催化剂的多活性位点构筑和电子结构调控开展了系列研究，发展了RuCoO_x纳米泡沫（Nano Lett. 2021, 21, 9633−9641）、Mn-RuO₂（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2694−2704）、Ga双边调控Mn-RuO₂（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202420481）和Sn辅助位点调控Co/RuO₂（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 4833−4843）等催化体系，实现了锌空气电池在高功率、长寿命和宽温域运行方面的性能提升。例如，Mn-RuO₂催化剂可支撑电池稳定循环2,500 h（15,000 圈），Sn-Co/RuO₂催化剂则实现了−20 °C下长达138天的稳定运行。上述工作表明，Ru基多位点催化剂具有显著的结构可调性和应用潜力，但辅助掺杂元素的选择仍主要依赖经验判断，缺乏可推广的预测性设计原则。

针对这一问题，本研究基于掺杂元素的本征性质，提出基于价层电子结构与离子半径的双描述符设计策略，用于指导多位点掺杂RuO₂中辅助掺杂元素的理性选择。研究以镧系元素为模型体系，利用镧系收缩效应系统揭示了掺杂元素本征性质与OER/ORR活性之间的结构–性能关系。结果表明，具有相对稳定价层电子构型（如空的或全充满的价层亚壳层）、并能够形成较高稳定价态的掺杂元素，更有利于提升OER性能，而较大离子半径的掺杂元素更有利于改善ORR活性。基于该规律，Ce 被确定为该系列中最优的镧系掺杂元素，可显著降低双功能氧反应的电位差，低至0.620 V。进一步地，研究选择高价态Ta⁵⁺作为描述符预测的辅助掺杂元素，并验证了其对催化性能和结构稳定性的提升作用。

在此基础上，研究成功构筑了Ce–Ta共掺杂Mn-RuO₂催化剂。该催化剂表现出优异的双功能氧电催化性能，其中ORR半波电位达到0.884 V。用于可充电锌空气电池时，CeTa-MnRuO₂催化剂实现了1.57 V的开路电压、187 mW cm⁻²的峰值功率密度，并在50 mA cm⁻²的高电流密度下稳定运行超过1,000圈，表现出优异的高电流密度循环稳定性。结构表征和理论计算进一步表明，Ce–Ta共掺杂能够诱导RuO₂晶格应变和电子结构重构，优化Ru–O/Mn–O成键环境，调节Mn和Ru活性中心的电荷分布，并增强催化剂在OER/ORR条件下的结构稳定性。DFT计算和原位Raman表征揭示了Ce–Ta共掺杂对反应中间体吸附能、反应能垒和活性位点稳定性的协同调控机制，为理解Ru基双功能氧电催化剂的活性–稳定性关系提供了新的认识。

该工作建立了以价层电子结构和离子半径为核心的多位点掺杂RuO₂描述符设计框架，为从元素周期表中快速筛选高效稳定的Ru基氧电催化剂提供了可推广的设计原则，也为高性能可充电锌空气电池空气电极催化剂的理性开发提供了新的思路。

图1. 镧系元素掺杂Mn-RuO₂的结构–性能关系及描述符设计策略。

图2. Ce和/或Ta掺杂Mn-RuO₂催化剂的晶体结构和形貌表征。

图3. Ce和/或Ta掺杂Mn-RuO₂催化剂的电子结构和局域配位环境分析。

图4. Ce和/或Ta掺杂Mn-RuO₂催化剂的OER/ORR电催化性能。

图5. 基于Ce–Ta共掺杂Mn-RuO₂催化剂的可充电锌空气电池性能。

图6. Ce–Ta共掺杂调控OER/ORR反应路径和结构稳定性的理论计算与原位表征分析。

该研究工作得到了鄂尔多斯实验室、清华大学–中国石化绿色化工联合研究院、国家自然科学基金青年科学基金项目和中国博士后科学基金的支持。Journal of the American Chemical Society是美国化学会旗下化学领域的国际顶级期刊，致力于发表化学及相关交叉学科领域具有重要原创性和广泛影响力的研究成果。