清華新聞網(wǎng)2月6日電 近日，清華大學(xué)化工系張如范團(tuán)隊(duì)在高性能雙功能氧電催化劑研究方面取得突破進(jìn)展，成功設(shè)計(jì)了一種高效催化劑，顯著提升了氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）性能，推動了水系可再充鋅空氣電池（a-r-ZABs）的性能提升與實(shí)際應(yīng)用。
先進(jìn)的儲能和轉(zhuǎn)化技術(shù)在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。a-r-ZABs由于其高理論能量密度、低成本和高安全性等優(yōu)勢已被公認(rèn)為理想的儲能與轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。然而，充放電過程中空氣電極上緩慢的ORR/OER反應(yīng)及中間產(chǎn)物反應(yīng)要求的不同，使得設(shè)計(jì)高效的a-r-ZABs面臨挑戰(zhàn)。
張如范團(tuán)隊(duì)從雙功能氧電催化劑反應(yīng)機(jī)理出發(fā)，理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，將ORR活性位點(diǎn)鈷（Co）和輔助位點(diǎn)錫（Sn）同時(shí)引入到OER活性物種二氧化釕（RuO2）的近表面和表面（圖1和圖2），精確調(diào)控原子和電子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種高性能的單相三金屬雙活性位點(diǎn)氧化物催化劑（Sn-Co/RuO2）。Sn-Co/RuO2催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能性能，氧電勢差（?E）為0.628V，并且在經(jīng)過200000圈加速循環(huán)測試，ORR性能維持著可觀的初始性能。基于Sn-Co/RuO2催化劑的a-r-ZABs在-30-65 ℃的寬溫域范圍內(nèi)表現(xiàn)出高的性能（圖3）。尤其是在-20 ℃環(huán)境下，電池經(jīng)過138天運(yùn)行之后，性能幾乎無衰減。張如范團(tuán)隊(duì)借助原位及非原位的實(shí)驗(yàn)對構(gòu)-效關(guān)系進(jìn)行深度刨析（圖4），證實(shí)了輔助位點(diǎn)Sn的加入有效地調(diào)節(jié)了Ru和Co雙活性位的原子/電子環(huán)境，優(yōu)化了ORR和OER反應(yīng)過程中中間產(chǎn)物（*OOH/*OH）的吸附行為，促進(jìn)了最終產(chǎn)物的釋放，降低了產(chǎn)物積累所造成的負(fù)面影響，從而到達(dá)降低反應(yīng)能壘和提升電催化性能的目的。
圖1.催化劑結(jié)構(gòu)及球差電鏡表征圖
圖2.催化劑的表面和近表面結(jié)構(gòu)表征
圖3.基于Sn-Co/RuO2催化劑的水系可再充鋅空氣電池性能評價(jià)
圖4.原位和非原位的表征對結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系進(jìn)行深度刨析
上述成果于1月30日以“原子層面上錫調(diào)控助力高性能鋅空氣電池”（Atomic-Level Tin-Regulation for High-Performance Zinc-Air Batteries）為題發(fā)表在國際期刊《美國化學(xué)學(xué)會雜志》（Journal of the American Chemical Society）上，論文的第一作者為化工系2022級博士后李昀芮，通訊作者為化工系張如范副教授。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c12601
供稿：化工系
編輯：邱收
審核：周襄楠
