近日，清華大學化工系張如范課題組開發了一種雙向調控策略，通過同時在氧化釕(RuO2)中引入元素鎵(Ga)和活性位點錳(Mn)，利用Ga從原子水平上對雙活性位點Ru和Mn的價態結構進行優化，突破了雙位點活性與穩定性之間的制約，顯著提升了氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER)性能及鋅空氣電池性能。
日益復雜的人類活動和環境問題迫切需要開發安全有效的儲能和轉換技術。水系可再充鋅空氣電池(a-r-ZABs)因其較高的理論能量密度(1086 Wh kg-1)、高安全性、低成本及鋅儲量豐富等優勢成為有希望的下一代能源儲存和轉換技術。合理地設計和開發高性能的OER和ORR雙功能催化劑對可充電鋅空氣電池的發展和應用十分重要。近年來，將一種金屬位點引入到金屬氧化物中形成Mn-O和Ru-O結合的雙活性位點雙金屬單相結構催化劑(如α-Mn1-xRuxO2，Ru(0.1)-MnO2，Mn-RuO2，Mn0.3Ru0.7O2)能夠解決單一位點的限制，滿足ORR和OER的不同需求，引起了廣泛的關注。然而，雙位點之間很難滿足雙向調控同時實現ORR和OER活性和穩定性的提升，即一般只能使得主金屬氧化物的價態結構及性能得到優化，而引入的另外一種活性位點面臨活性和穩定性的抉擇。因此，發展一種策略以充分地調控性能，打破活性-穩定性的限制，對于發展高性能的金屬氧化物雙功能催化劑尤為重要。
圖1.催化劑的合成及原子結構表征
圖2.催化劑的ORR和OER性能評價及雙功能綜合性能對比
圖3.水系可再充鋅空氣電池性能評價
課題組基于簡單的葡萄糖-尿素鼓泡法(圖1)開發了一種雙向調控策略，通過同時在RuO2中引入元素Ga和活性位點Mn，利用Ga從原子水平上對雙活性位點Ru和Mn的價態結構進行優化，突破了傳統雙位點活性與穩定性之間的限制。研究人員結合實驗和理論分析證實了Ga的引入造成了雙活性位點Mn和Ru上的電子/電荷再分布，優化了Mn和Ru的價態結構，通過調控反應中間產物*O/*OH在活性位點上的吸附行為降低了ORR和OER反應的能壘。研究人員所開發的Ga/MnRuO2催化劑表現出優異的雙功能催化性能(圖2)，其電位差(ΔE)僅為0.605V，顯示了優異的催化活性，其中ORR性能經過30萬圈加速測試之后衰減僅為18mV
聲明：
“清華大學Angew. Chem. Int. Ed.：超高穩定性鋅空氣電池催化劑制備” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：中冶有色網
來源：清華大學
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2025年07月24日 ~ 26日 
