清华张如范课题组JACS最新成果：描述符指导设计多位点掺杂RuO₂用于耐久锌空气电池

本文由清华大学张如范课题组发表，针对多位点掺杂RuO₂催化剂中辅助掺杂元素的理性筛选问题，提出基于掺杂元素本征性质（价层电子结构和离子半径）作为描述符的设计策略。研究背景在于RuO₂虽有优异OER活性，但用于锌空气电池时需同时提升ORR性能，而现有掺杂多依赖经验。研究目的为建立可推广的预测性设计原则，通过利用镧系收缩效应系统调控镧系元素掺杂，构建了掺杂元素本征性质与OER/ORR性能的构效关系，并据此筛选出Ce和Ta作为最优辅助掺杂元素。结论是Ce–Ta共掺杂的Mn-RuO₂催化剂（CeTa-MnRuO₂）表现出优异的双功能氧电催化活性：ORR半波电位达0.884 V，在可充电锌空气电池中实现1.57 V开路电压、187 mW cm⁻²峰值功率密度，并在50 mA cm⁻²大电流密度下稳定循环超1000次。机理上，Ce–Ta共掺杂通过诱导晶格应变和电子结构重构，优化了反应中间体吸附并提升了结构稳定性。该工作为高性能可充电锌空气电池空气电极催化剂提供了理性设计新范式。