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祝贺李昀芮关于锌空电池高性能催化剂的研究论文被Journal of the American Chemical Society接收！发表时间：2025-02-01 18:47 近日，本课题组的研究论文《Atomic-Level Tin-Regulation for High-Performance Zinc-Air Batteries》被Journal of the American Chemical Society接收。论文第一作者为博士后李昀芮，通讯作者为清华大学化工系张如范副教授。 先进的储能和转化技术在现代社会中发挥着至关重要的作用。水性可充电锌空气电池（a-r-ZABs）由于其高理论能量密度、低成本和高安全性等优势已被公认为理想的储能与转化技术之一。然而，充放电过程中空气电极上氧气还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）反应要求不同对设计高性能的a-r-ZABs提出了挑战。结合双功能反应机理，精确调控原子和电子结构，优化中间产物的吸附行为，是合理设计高效双功能氧电催化剂的关键。 本工作，将Co（ORR活性位点）和辅助位点Sn同时引入到RuO2（OER活性物种）的近表面和表面，设计了一种高性能的单相三金属氧化物（Sn-Co/RuO2）。辅助位点Sn有效地调节了Ru和Co双活性位的原子/电子环境，优化了*OOH/*OH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，氧电势差（∆E）为0.628V，并且在经过200000加速循环测试，ORR性能维持着可观的初始性能。基于Sn-Co/RuO2催化剂的a-r-ZAB在-30-65 ℃的宽温度范围内表现出高的性能。在-20 ℃，电池经过138天运行之后，性能几乎无衰减。
图1. 催化剂结构及球差电镜表征图 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。通过球差电镜表征证实了，Co和Sn同时引入到RuO2中，形成单相的结构。
图2. 催化剂的表面和近表面结构表征 进一步分析发现Sn和Co主要分布于RuO2的表面和近表面，并且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的水系可再充锌空气电池性能评价 性能评价证明，基于Sn-Co/RuO2催化剂的a-r-ZABs在宽温域-30-65 ℃展现出优异的性能。其中，在低温下进行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 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/电子环境，优化了*OOH/*OH吸附行为，加速最终产物的释放，降低反应能垒和有利于反应循环进行。a-r-ZABs在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。 该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。Journal of the American Chemical Society (美国化学学会杂志)是美国化学学会的旗舰杂志，也是世界上所有化学和科学界面领域的卓越杂志。该期刊2024年的影响因子为14.4。 |
