近日我校环科院UNNU中韩能源与环境联合实验室卢千副教授以第一作者身份在国际著名期刊《Energy Storage Materials》（IF=20.8）和《Applied Catalysis B: Environmental》（IF=24.3）分别发表研究论文，南京信息工程大学均为第一署名单位。该研究工作得到校人才启动经费项目资助。

可充电锌空气电池结合了二次电池和燃料电池的关键特性，作为下一代新能源储能设备，其有希望应用于消费电子市场和新能源汽车领域。一般来说，空气阴极需要同时具有氧还原（ORR）和氧析出反应（OER）双功能催化活性，但由于完全可逆的ORR和OER过程，单一材料很难同时实现优异的双功能催化活性。最近的研究表明构建具有多功能组分的负载型电催化剂是实现双功能催化活性的明智策略。

《Energy Storage Materials》一文阐述了基于碳材料和过渡金属化合物载体的负载型电催化剂的结构设计准则，同时汇总了负载型电催化剂的合成策略。首先讨论了过渡金属催化剂在碳载体上的构型，并进一步考虑到碳材料在充电过程中的氧化分解，着重介绍了电化学活性和惰性的过渡金属化合物载体在双功能负载电催化剂中的作用。此外，还详细讨论了负载型电催化剂的合成策略，以指导如何合理设计负载型电催化剂。基于对负载型电催化剂结构设计的讨论，本文还为未来开发更高效双功能电催化剂提供了研究方向。

图1 不同类型载体的设计、载体的功能以及双功能负载电催化剂的合成策略

    《Applied Catalysis B: Environmental》一文报道了一种调控反应物可及性和电荷转移的策略，开发了基于碳纳米管导电载体的双功能负载型氧催化剂。表面负载的Co-RuO2纳米颗粒平均尺寸仅为5.1 nm，并且在碳纳米管载体表面均匀分散。通过设计的溶剂热法使得Co离子主要掺杂进入RuO2晶体的(101)晶面，从而在具有催化活性的(110)晶面实现Ru/Co双原子的最大暴露。对于双功能氧催化剂，其催化活性主要通过评估ORR和OER之间的极化电位差。通过旋转圆盘测试可得Co-RuO2/OCNT的ORR和OER极化电位差值仅为0.67 V，这一数值优于目前绝大部分所报道的双功能氧催化剂的电位差。进一步组装可充锌-空气电池，在10 mA cm-2的电流密度下可稳定循环超过800圈，并且保持极化电压差低于0.8 V，往返能量效率接近60%，具有了极佳的应用潜力。

图2 Co-RuO₂/OCNT的微观形貌和结构表征

图3 Co-RuO₂/OCNT及对比催化剂的ORR和OER催化性能

通过operando EIS技术、循环伏安法、DFT理论计算对该氧催化剂的反应机制进行探索。可以发现Ru位点主要贡献OER催化活性，Co位点主要贡献ORR催化活性，在(110)晶面暴露的Ru/Co双原子可共吸附中间OOH*，从而克服ORR和OER的速率控制步骤的能垒；此外，Ru位点的吸附水分子可以加速氧气、电解液在氧催化剂表面的扩散速率，从而在表面电荷传输及表面反应质传输两个层面共同调控催化活性。

图4 Co-RuO₂/OCNT的ORR/OER电催化反应机制

    UNNU联合实验室成立于2020年3月，以国际合作为基础，自成立以来，在能量转化和储存、水污染高级氧化技术以及大气污染控制治理等方面取得了一系列突破进展。研究成果已先后发表于Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等高影响力国际期刊。

论文信息：

[1] Qian Lu, Xiaohong Zou, Yunfei Bu, and Zongping Shao. Energy Storage Materials, 2023, 55, 166-192.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.11.046

[2] Qian Lu, Xiaohong Zou, Xixi Wang, Liang An, Zongping Shao and Yunfei Bu. Applied Catalysis B-Environmental, 2023, 325, 122323.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122323