近日，清华大学化工系张如范副教授课题组在锌-空气电池体系提出了一种双相耦合构筑RuCoOx双金属氧化物的策略，首次将氧还原反应、氧析出反应和氢析出反应三种活性位点集成，显示出优异性能。相关工作以“RuCoOx nanofoam as a high-performance trifunctional electrocatalyst for rechargeable zinc-air batteries and water splitting”为标题在国际纳米科技领域著名期刊《Nano Letters》上报道。

随着碳达峰与碳中和目标的提出，开发大规模、低成本的清洁能源生产与储存技术成为关键。在可充电锌-空气电池、电解水、燃料电池等新能源器件中，氧还原（ORR）和氧析出（OER）是可充电锌-空气电池中的两个关键反应，氧析出（OER）和氢析出（HER）HER是电解水的核心反应。这三个都涉及多电子转移反应，都具有动力学缓慢特征，导致所需过电位偏大。在可充电锌-空气电池中需要使用ORR/OER双功能电催化剂来满足阴极工作需求；而在电解水器件中使用OER/HER双功能电催化剂可显著降低成本。然而，将多种、不同的活性位集成在同种催化剂中技术难度很大。

针对目前贵金属基催化剂非常昂贵、非贵金属催化剂稳定性不佳的缺点，张如范课题组选取RuO2和Co3O4作为两种活性组分，通过一种简便的“葡萄糖吹泡法”成功制得纳米泡沫状RuCoOx双金属氧化物。该催化剂宏观上呈现出纳米泡沫状结构，而微观上由RuO2和Co3O4两相组成。由于两相间的强耦合作用形成了利用电子转移优化的协同结构，显著提升了催化剂性能，同时还抑制了催化剂晶粒在长时间反应中的熟化长大效应，显著提升了催化剂的稳定性。基于此, RuCoOx不仅在催化层面上表现出优异三功能电催化性能，同时在器件层面上具有十分出色的性能。特别是在可充电锌空气电池中实现超大电流100 mA cm-2下长时间稳定充放电循环，电解水槽中可在100 mA cm-2下长时间稳定运行。

图1. RuCoOx双金属氧化物的制备过程及其微观结构。

图2. RuCoOx催化剂的综合催化性能。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03407

清华大学化学工程系