清華大學(xué)Angew. Chem. Int. Ed.：超高穩定性鋅空氣電池催化劑制備

近日，清華大學(xué)化工系張如范課題組開(kāi)發(fā)了一種雙向調控策略，通過(guò)同時(shí)在氧化釕(RuO2)中引入元素鎵(Ga)和活性位點(diǎn)錳(Mn)，利用Ga從原子水平上對雙活性位點(diǎn)Ru和Mn的價(jià)態(tài)結構進(jìn)行優(yōu)化，突破了雙位點(diǎn)活性與穩定性之間的制約，顯著(zhù)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(lèi)活動(dòng)和環(huán)境問(wèn)題迫切需要開(kāi)發(fā)安全有效的儲能和轉換技術(shù)。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(yōu)勢成為有希望的下一代能源儲存和轉換技術(shù)。合理地設計和開(kāi)發(fā)高性能的OER和ORR雙功能催化劑對可充電鋅空氣電池的發(fā)展和應用十分重要。近年來(lái)，將一種金屬位點(diǎn)引入到金屬氧化物中形成Mn-O和Ru-O結合的雙活性位點(diǎn)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(diǎn)的限制，滿(mǎn)足ORR和OER的不同需求，引起了廣泛的關(guān)注。然而，雙位點(diǎn)之間很難滿(mǎn)足雙向調控同時(shí)實(shí)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(jià)態(tài)結構及性能得到優(yōu)化，而引入的另外一種活性位點(diǎn)面臨活性和穩定性的抉擇。因此，發(fā)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(fā)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(jià)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(jià) 課題組基于簡(jiǎn)單的葡萄糖-尿素鼓泡法(圖1)開(kāi)發(fā)了一種雙向調控策略，通過(guò)同時(shí)在RuO2中引入元素Ga和活性位點(diǎn)Mn，利用Ga從原子水平上對雙活性位點(diǎn)Ru和Mn的價(jià)態(tài)結構進(jìn)行優(yōu)化，突破了傳統雙位點(diǎn)活性與穩定性之間的限制。研究人員結合實(shí)驗和理論分析證實(shí)了Ga的引入造成了雙活性位點(diǎn)Mn和Ru上的電子/電荷再分布，優(yōu)化了Mn和Ru的價(jià)態(tài)結構，通過(guò)調控反應中間產(chǎn)物*O/*OH在活性位點(diǎn)上的吸附行為降低了ORR和OER反應的能壘。研究人員所開(kāi)發(fā)的Ga/MnRuO2催化劑表現出優(yōu)異的雙功能催化性能(圖2)，其電位差(ΔE)僅為0.605V，顯示了優(yōu)異的催化活性，其中ORR性能經(jīng)過(guò)30萬(wàn)圈加速測試之后衰減僅為18mV