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近日，清華大學化工系張如范副教授課題組在可充電鋅-空氣電池的高性能氧催化劑方面取得重要進展。通過精準的原子結構調控，研究人員把Mn以原子級分散進入RuO2晶格，形成特殊結構的Mn-RuO2雙金屬氧化物雙位點催化劑，對ORR和OER均展示出具有非常高的催化活性和穩定性，所制得的鋅-空氣原型電池可長時間和大電流密度充放電循環。該催化劑有效避免了充電過程中的碳腐蝕問題，同時比傳統的Pt/Ir/Pd基催化劑成本更低。該工作 “Super-durable Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for High-performance Zinc-Air Batteries”（《超耐久雙功能氧電催化劑用于高性能可充電鋅-空氣電池》）發表在Journal of the American Chemical Society（美國化學會會志）上。

圖1. Mn-RuO2催化劑原子結構及成分分布表征

高效能二次電池是國際上競相發展的清潔電化學儲能系統，是我國的“雙碳目標”實現過程中電儲能領域重要的關鍵技術之一。可充電鋅-空氣電池由于其高能量密度、鋅的高儲量、低成本及高安全性受到研究者的廣泛關注。但是該體系長期存在著能量轉換效率低、長循環穩定性差、碳腐蝕嚴重、充放電循環電流密度低等多重工程技術難題。針對傳統的較優異的Pt/C與IrO2或RuO2等體系存在的種種弊端，張如范課題組發展了一種簡易的葡萄糖吹泡法，得到了多孔泡沫狀Mn-RuO2雙位點催化劑新結構。球差電鏡表征表明，該催化劑由單一晶粒RuO2組成，其中Mn和Ru原子都遵循RuO2的原子排列方式（圖1）。在[110]和[001]方向上Ru/Mn/O原子的排布都與RuO2相一致，與理論結構模型完全對應，證明Mn以原子級分散進入RuO2晶格。EDS面分布顯示在[110]方向上Mn和Ru均呈現均勻分布，而在[001]方向上Ru呈現均勻分布，而Mn主要分布于外側，證明了Mn主要分布于納米晶粒所暴露的(110)晶面上。

圖2. Mn-RuO2催化劑與其他催化劑的ORR、OER及鋅空氣電池性能綜合對比

由于電催化反應主要發生于表界面，這種獨特的原子分布方式利于催化劑表面電子結構調控，從而提升其催化性能。電化學檢測證明，該Mn-RuO2催化劑表現出優于商用Pt/C和IrO2催化劑的ORR和OER性能，且在25萬次（ORR）和3萬次（OER）的CV循環后依舊可以保持非常優異的性能（圖2）。雙功能電位ΔE僅為0.64 V，優于絕大部分文獻報道的水平。基于該催化劑組裝了可充電鋅-空氣原型電池，發現其開路電壓、容量、充放電特性、功率密度、倍率性能均優于Pt/C+IrO2基準電池。尤其是基于Mn-RuO2催化劑的電池可在10 mA cm-2下運行2500小時，在100 mA cm-2超大電流密度下運行300小時。

此外，張如范課題組近期還提出通過雙相耦合策略構筑RuCoOx雙金屬氧化物，巧妙將ORR、OER和HER三種活性位點集成至一種催化劑中，賦予其三功能特性，使其在可充電鋅空氣電池和電解水應用中均具有優異的性能。相關工作以“RuCoOx nanofoam as a high-performance trifunctional electrocatalyst for rechargeable zinc-air batteries and water splitting”（RuCoOx納米泡沫狀高性能三功能電催化劑用于可充電鋅-空氣電池和電解水）為題發表在國際納米科技著名期刊Nano Letters《納米快報》上。

上述工作顯示，構筑獨特的催化劑結構，可顯著提高鋅-空氣電池器件的實用性能。該課題組正在與企業合作，進行更大規模的電池器件構筑與放大實驗。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11675

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03407