摘要：合理设计具有增强氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）性能的金属氧化物催化剂对于水系可充电锌空气电池（ar-ZAB）的实际应用至关重要。精确调节金属氧（MO）活性物质的电子环境对于提高其 OER 和 ORR 活性和稳定性至关重要，但也具有挑战性。

合理设计具有增强氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）性能的金属氧化物催化剂对于水系可充电锌空气电池（ar-ZAB）的实际应用至关重要。精确调节金属氧（MO）活性物质的电子环境对于提高其 OER 和 ORR 活性和稳定性至关重要，但也具有挑战性。

在此，清华大学张如范团队提出了一种原子级双边调控策略，即通过引入原子分散的Ga来持续调节Ga/MnRuO2催化剂中Ru-O和Mn-O的电子环境。研究显示，Ga/MnRuO2催化剂打破了稳定性-活性限制，表现出卓越的双功能性能，电位差（ΔE）仅为0.605 V，并且具有超强的耐久性。

理论计算表明，Ga与Ru-O/Mn-O之间的强耦合电子相互作用调节了金属中心的价态分布，有效调节了*O/*OH的吸附行为，从而优化了反应路径并降低了反应势垒。基于此，Ga/MnRuO2催化剂的工作温度范围宽达 -20 至 60 °C，在 -20 °C、电流密度为 5 mA cm-2 的条件下使用寿命长达 2308 小时（即 13,848 个循环）。

图1. Ga/MnRuO2 的合成与结构表征

总之，该工作设计了一种高性能的Ga/MnRuO2催化剂。研究显示，Ga的引入可以平衡Mn和Ru活性位点的价态，打破了活性-稳定性限制，从而提高了ORR/OER和a-r-ZAB的活性和稳定性。

此外，Ga/MnRuO2 还表现出超强的耐久性，在 30 万次 ORR 循环后 E1/2 下降仅为 19 mV，在 3 万次 OER 循环后 Ej=10 下降仅为 3 mV。由 Ga/MnRuO2 催化剂组装的 a-r-ZABs 在 -20~60 ℃ 的宽工作温度范围内表现出优异的催化性能。因此，该工作为实现高效率的 a-rZAB 提供了一种有效方法。

图2. a-r-ZABs 在不同温度下的性能

Breaking the Stability‐Activity Trade‐off of Oxygen Electrocatalyst by Gallium Bilateral‐Regulation for High‐Performance Zinc‐Air Batteries， Angewandte Chemie International Edition 2024 DOI: 10.1002/anie.202420481

张如范 化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国能源学会专家委员会委员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国化工学会专业会员，SusMat、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Accounts of Chemical Research、Accounts of Materials Research、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Optical Materials、Small Methods、Science Bulletin、EcoMat等期刊发表论文。

来源：华算科技