协同Ru/Co-S键合单原子与纳米颗粒催化剂在可充电锌空气电池中的高效双功能氧电催化研究

为解决锌空气电池(ZABs)阴极催化剂在氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)中活性不足、稳定性差的问题，研究人员通过二次热解和硫掺杂策略，开发了具有Ru/Co-S协同配位的空心氮掺杂碳基双功能催化剂(Co@Ru-SAs-HSNC)。该催化剂在碱性条件下表现出优异的ORR半波电位(0.90 V)和OER过电位(278 mV@50 mA cm?2)，应用于ZABs时实现205 mW cm?2的峰值功率密度和1134小时的长循环稳定性，为高性能能源器件设计提供了新思路。

　　

能源危机与环境污染的双重压力下，可充电锌空气电池(ZABs)因其高能量密度和环境友好特性成为研究热点。然而，其商业化进程受限于阴极氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学，需要高效稳定的双功能催化剂。目前贵金属催化剂如Pt/C和Ir/C成本高昂且稳定性不足，而单原子催化剂(SAC)虽能提高原子利用率，但单一活性位点难以同时满足ORR/OER的需求。如何通过结构设计实现性能-成本平衡，成为该领域的关键科学问题。

针对这一挑战，重庆人力资源和社会保障局等机构的研究人员创新性地将Ru单原子与Co纳米颗粒复合，通过二次热解和硫掺杂策略，成功构建了具有Ru/Co-S协同配位的空心氮掺杂碳基催化剂(Co@Ru-SAs-HSNC)。该研究通过精确调控原子级活性位点与纳米结构的相互作用，实现了ZABs性能的突破性提升，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

研究采用两步热解法：首先在900°C热解Ru掺杂的ZIF-8前驱体形成Ru-N₄位点，随后引入Co纳米颗粒并通过二次热解实现硫掺杂。结合同步辐射、球差电镜等表征技术确认了Ru单原子与Co纳米颗粒的协同配位结构，并通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了硫取代氮对电子结构的调控机制。

Synthesis and physical characterization
通过对比实验证明，二次热解形成的空心结构使比表面积提升40%，硫掺杂促使Co-S_xN_4-x位点形成。X射线吸收精细结构谱(EXAFS)证实Ru-S/Co-S配位键的存在，这种独特结构使电荷转移电阻降低至Pt/C的1/3。

Conclusions
Co@Ru-SAs-HSNC在碱性电解液中展现出0.90 V的ORR半波电位（比Pt/C高30 mV）和278 mV的OER过电位（10 mA cm^?2时）。当应用于ZABs时，其峰值功率密度达205 mW cm^?2，循环稳定性较传统催化剂提升5倍。理论计算表明，硫掺杂使Ru位点的d带中心下移0.15 eV，优化了氧中间体的吸附能。

研究意义
该工作通过原子-纳米双尺度调控策略，实现了三大创新：(1)首创Ru单原子与Co纳米颗粒的硫桥联协同机制；(2)二次热解形成的分级孔道促进传质；(3)金属-载体强相互作用抑制烧结失活。这不仅为设计高效ZABs催化剂提供了新范式，其"单原子-纳米颗粒"协同理念可拓展至其他能源转化系统。

讨论与展望
作者指出当前研究仍存在硫含量精确调控的挑战，未来可通过机器学习优化热解工艺。值得注意的是，该催化剂在模拟工业条件下保持>90%的初始活性，展现出良好的产业化前景。这种将贵金属单原子与非贵金属纳米颗粒复合的设计思路，为降低催化剂成本同时保持高性能提供了重要参考。