【JACS】清华大学张如范课题组：描述符指导设计多位点掺杂RuO₂用于耐久锌空气电池

本文针对可充电锌空气电池中双功能氧电催化剂的活性与稳定性不足问题，特别是RuO₂基催化剂在兼顾OER和ORR性能时辅助掺杂元素选择缺乏理论指导的现状，清华大学张如范课题组提出了一种基于价层电子结构和离子半径的双描述符设计策略。研究以镧系元素为模型，系统揭示了掺杂元素本征性质与催化性能的关系，确定Ce为最优镧系掺杂元素，并进一步预测并验证了高价态Ta⁵⁺的增效作用。基于此，成功构筑了Ce–Ta共掺杂Mn-RuO₂催化剂，其ORR半波电位达0.884 V，用于锌空气电池时实现了1.57 V开路电压、187 mW cm⁻²峰值功率密度，并在50 mA cm⁻²下稳定运行超1000圈。结构表征和理论计算表明，共掺杂诱导晶格应变和电子结构重构，优化了活性位点与反应中间体的相互作用。该工作建立了可推广的理性设计框架，为高效稳定Ru基氧电催化剂的筛选和锌空气电池催化剂开发提供了新思路。