摘要：近日，清华大学化工系张如范团队在高性能双功能氧电催化剂研究方面取得突破进展，成功设计了一种高效催化剂，显著提升了氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）性能，推动了水系可再充锌空气电池（a-r-ZABs）的性能提升与实际应用。

近日，清华大学化工系张如范团队在高性能双功能氧电催化剂研究方面取得突破进展，成功设计了一种高效催化剂，显著提升了氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）性能，推动了水系可再充锌空气电池（a-r-ZABs）的性能提升与实际应用。

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。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缓慢的ORR/OER反应及中间产物反应要求的不同，使得设计高效的a-r-ZABs面临挑战。

张如范团队从双功能氧电催化剂反应机理出发，理论指导实验，将ORR活性位点钴（Co）和辅助位点锡（Sn）同时引入到OER活性物种二氧化钌（RuO2）的近表面和表面（图1和图2），精确调控原子和电子结构，设计了一种高性能的单相三金属双活性位点氧化物催化剂（Sn-Co/RuO2）。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圈加速循环测试，ORR性能维持着可观的初始性能。

基于Sn-Co/RuO2催化剂的a-r-ZABs在-30-65 ℃的宽温域范围内表现出高的性能（图3）。尤其是在-20 ℃环境下，电池经过138天运行之后，性能几乎无衰减。张如范团队借助原位及非原位的实验对构-效关系进行深度刨析（图4），证实了辅助位点Sn的加入有效地调节了Ru和Co双活性位的原子/电子环境，优化了ORR和OER反应过程中中间产物（*OOH/*OH）的吸附行为，促进了最终产物的释放，降低了产物积累所造成的负面影响，从而到达降低反应能垒和提升电催化性能的目的。

图1.催化剂结构及球差电镜表征图

图2.催化剂的表面和近表面结构表征

图3.基于Sn-Co/RuO2催化剂的水系可再充锌空气电池性能评价

图4.原位和非原位的表征对结构-性能关系进行深度刨析

上述成果于1月30日以“原子层面上锡调控助力高性能锌空气电池”（Atomic-Level Tin-Regulation for High-Performance Zinc-Air Batteries）为题发表在国际期刊《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上，论文的第一作者为化工系2022级博士后李昀芮，通讯作者为化工系张如范副教授。上述研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

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来源：清华大学