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【能源】Ga双向调控打破稳定性-活性限制助力高性能锌空气电池

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-30 08:09

正文

水系可再充锌空气电池（a-r-ZABs）因其较高的理论能量密度（1086 Wh k g ^-1 ），高安全性、低成本及锌储量丰富等优势成为有希望的下一代能源储存和转换技术。合理地设计和开发高性能的氧析出（OER）和氧还原（ORR）双功能催化剂对a-r-ZABs的发展和应用十分重要。近日， 清华大学张如范 团队开发了一种双向调控策略，通过同时在Ru O ₂ 中引入元素Ga和活性位点Mn，利用Ga从原子水平上对双活性位点Ru和Mn的价态结构进行优化，突破了双位点活性与稳定性之间的制约，显著提升了ORR和OER性能及锌空气电池性能。

本工作所开发的Ga/MnRu O ₂ 催化剂表现出优异的双功能催化性能，其电位差（Δ E ）仅为0.605 V，显示了优异的催化活性。而ORR性能经过30万圈加速测试之后衰减仅为18 mV。将该催化剂与100篇近期的双功能催化剂进行对比，其综合性能优于大部分催化剂。

图1. ORR和OER性能评价及双功能综合性能对比

基于Ga/MnRu O ₂ 催化剂的a-r-ZABs在宽温域内展现出优异的性能。其中，在常温10 mA c m ^-2 的电流密度下经过800多个小时循环充放电测试之后，该催化剂依然保留86.7%的初始比容量值。另外，该催化剂在低温下进行2308小时（约13, 848个循环）循环充放电测试之后，几乎无衰减。

图2. 基于催化剂的水系可再充锌空气电池性能评价

上述成果发表在国际期刊《德国应用化学》（ Angewandte Chemie International Edition ）期刊上，论文的第一作者为清华大学化工系博士后 李昀芮 ，通讯作者为化工系 张如范 副教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Breaking the Stability-Activity Trade-off of Oxygen Electrocatalyst by Gallium Bilateral-Regulation for High-Performance Zinc-Air Batteries

Yunrui Li, Jiaqi Xu, Fan Lan, Yao Wang, Hairong Jiang, Xueke Wu, Ya Huang, Run Li, Qinyuan Jiang, Di Gao, Ping Zhu, Siming Zhao, Yanlong Zhao, Fei Wang, Libo Zhang, Longgui Zhang, Rufan Zhang

Angew. Chem. Int. Ed ., 2024 , DOI: 10.1002/anie.202420481

课题组介绍

张如范，清华大学化工系长聘副教授、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、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员， Coatings 编委、 SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology、Exploration、Carbon and Hydrogen、Clean Energy 、石油化工及化工环保青年编委。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，在 Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano 等期刊发表论文120余篇。申请发明专利20项；撰写学术专著7部。曾获中国石油和化学工业联合会青年创新奖（2024）、中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

张如范

https://www.x-mol.com/university/faculty/60332

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