综述：基于钌的双功能电催化剂的最新进展在锌-空气电池中的应用

《Current Opinion in Electrochemistry》：Recent advance of Ru-based bifunctional electrocatalysts for Zn–air batteries

本文综述了基于钉基的催化剂在锌空气电池中的应用，分析了复合、化合物及单原子催化剂的设计策略，并探讨了低Ru负载、多位点协同及腐蚀抑制等未来研究方向，旨在推动该电池的产业化。

　　

钱璐|邹小红|王颖|邵宗平

香港中文大学化学系，马林大楼，沙田，999077，中国香港特别行政区

摘要

锌空气电池（ZABs）由于其高理论能量密度、固有的安全性和低成本，在下一代储能技术中具有巨大潜力。然而，其商业化受到空气正极上氧气氧化还原反应动力学缓慢的阻碍，这导致了显著的充放电极化现象和低往返效率。虽然现有的双功能催化剂在活性与稳定性之间难以取得平衡，但基于钌的催化剂通过优化电子结构来促进氧中间体的吸附/脱附，成为了一种变革性的解决方案。本综述探讨了基于钌的催化剂的最新进展，并将其策略分为复合材料、化合物和单原子负载催化剂三类。我们分析了复合化、掺杂和载体工程在增强活性-稳定性协同作用中的作用，并提取了每种类别的设计原则。此外，我们还概述了关键的研究方向，包括超低钌负载量、多位点协同效应以及腐蚀抑制。通过绘制成本-活性-稳定性关系图并确定发展路径，本文为基于钌的催化剂在工业中的应用提供了路线图。

引言

锌空气电池（ZABs）由于其高理论能量密度（1086 Wh kg^-1）、固有的安全性和成本效益，成为一种有前景的储能技术。然而，其实际应用受到空气正极上动力学缓慢的阻碍，在充放电循环过程中会发生氧气还原（ORR）和氧气析出（OER）反应。[3] ORR和OER之间的显著极化间隙（通常>0.8 V）与热力学平衡电位（1.65 V）相差较大，导致往返能量效率较低（<60%）。[4] 这一动力学瓶颈需要高效的双功能氧气催化剂，能够在同时加速ORR和OER的同时将过电位损失降到最低。[5]

最近报道的双功能催化剂，包括过渡金属氧化物（如MnO₂、[6] Co₃O₄[7]）、钙钛矿氧化物[8]和杂原子掺杂碳[9, 10]，仍然存在ORR/OER活性不平衡以及在高碱性电解质中耐久性有限的问题。基于钌的催化剂最近成为潜在的候选者，表现出无与伦比的双功能性能。通过NiFe-LDH/NiFeOOH调控的钌原子的最佳d带中心，使得氧中间体（*OOH、*O、*OH）的吸附/脱附更加高效，实现了创纪录的低ORR/OER电位间隙（ΔE），仅为0.554 V——远优于贵金属基、过渡金属化合物基和杂原子掺杂碳基系统。[11] 此外，金属掺杂的RuO₂催化剂在ZABs中表现出优异的循环稳定性，在10 mA cm^-2的电流下可超过15000次循环而电压衰减可忽略不计。[12] 这些进展凸显了全面研究基于钌的催化体系、阐明结构-活性-稳定性关系以及确定未来研究方向的迫切需求。

本综述系统地阐述了基于钌的双功能催化剂的最新进展。首先，我们通过探讨单金属RuO₂的局限性，阐明了开发基于钌的复合催化剂的基本原理。随后，我们重点评估了三类关键催化剂：基于钌的复合催化剂、基于钌的化合物和单原子负载的催化剂，强调了复合化、载体和掺杂的效果。对于每一类催化剂，我们全面回顾了最新的研究进展，以得出材料设计原则。最后，我们提出了未来的研究重点：通过超低钌负载量（<1 wt.%）来平衡成本约束，通过多位点工程提高活性，并通过抑制载体腐蚀和钌溶解来确保长期稳定性。这一全面分析旨在指导下一代基于钌的催化剂在工业规模ZABs中的合理开发。

基于钌的双功能电催化剂的设计标准

在ZABs中，ORR和OER发生在正极，而锌的氧化和还原发生在负极，其平衡电位为1.65 V。[13] 如图1a所示，锌的氧化还原动力学通常很快，因此在锌负极处的氧化还原极化电位较低。[14] 相比之下，氧正极上的ORR/OER过程存在显著的极化过电位，导致ZABs的充放电电位与平衡电位有较大偏差。

基于钌的复合催化剂

通常，杂原子掺杂的碳材料表现出优异的ORR活性。[23] 此外，碳材料通常具有高电导率和大的比表面积，为Ru化合物提供了丰富的锚定位点，从而降低了Ru的负载量。[24] 结合这些优势，将Ru化合物与杂原子掺杂的碳结合使用，为设计高活性的双功能氧气催化剂提供了一种有前景的策略。

过渡金属化合物负载的碳

结论与展望

本综述总结了三种基于钌的催化剂的最新进展。其中，基于钌的复合催化剂通常是通过将高OER活性的Ru化合物与高ORR活性的碳材料或金属氧化物结合而成的。复合催化剂中的界面活性位点有限，导致其表观活性相对较低。鉴于复合催化剂中的活性位点是不对称的界面键，另一种策略是...

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

Q.L. 感谢中国国家自然科学基金（52402268）和江苏省自然科学基金（BK20230426）的支持。X.Z. 感谢PolyU杰出博士后奖学金计划（YWEE）的支持。