通讯作者：孙洁；谭婷；张如范 通讯单位：天津大学；国家纳米科学中心；清华大学 开发高效、耐用的氧气还原反应(ORR)和析氧反应(OER)双功能电催化剂对可充电锌空气电池的广泛应用至关重要。这需要合理筛选靶向ORR/OER组件，精确控制其原子和电子结构，以产生协同效应。 因此，清华大学张如范教授、国家纳米科学中心谭婷研究员和天津大学孙洁教授合作报道了一种独特的Mn掺杂RuO2(Mn-RuO2)双金属氧化物，其原子尺度上Mn原子弥散到RuO2晶格中，在ORR和OER中都表现出了显著的活性和超强的耐久性。
图1.Mn-RuO2催化剂的理论预测、示意图和形貌表征。 相关研究工作以“Superdurable Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for High Performance Zinc-Air Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。
图2. Mn-RuO2对ORR和OER的电催化性能。 要点1. Mn-RuO2双金属氧化物在RuO2晶格中表现出原子尺度的分散，在精确的原子尺度结构控制、高效的Ru和Mn原子电子结构调控、材料的长期稳定性和结构稳定性等方面展现出前所未有的优势。 要点2. Mn-RuO2催化剂对ORR和OER均表现出较低的过电位和良好的循环稳定性。在10 mA cm-2时，ORR (E1/2)和OER (e10)的半波势差(ΔE)为0.64 V，在ORR和OER分别经过250 000和30 000 CV循环后，E1/2和Ej10的衰减可以忽略。 要点3. Zn-Air电池使用Mn-RuO2催化剂表现出181 mW cm-2的高功率密度，较低的充电/放电间隙电压0.69/0.96/1.38 V，和在电流密度为10/50/100 mA cm-2下超长寿命15 000/2800/1800周期(对应于2500/467/300 h)。 要点4. 理论计算表明，Mn-RuO2的优异性能主要是由于对含氧中间体的价态和d带中心进行了精确优化，获得了合适的吸附能，有效地提高了双功能催化性能。
图3. 采用不同阴极催化剂的锌空气电池性能比较。
图4. 催化剂电子结构的表征和DFT计算。 链接： https:///10.1021/jacs.1c11675 |
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