南京航空航天大学Nat Commun:精准表界面重构驱动的高效三功能电催化剂:锌-空气电池与水电解器的全场景应用

研究背景： 随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，开发高效、清洁的可持续能源转换与存储技术，如电解水制氢、金属-空气电池和燃料电池，已成为科学界关注的焦点。这些技术的核心都离不开三个关键的电化学反应：析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）。然而，这些反应的动力学过程非常缓慢，需要高效的催化剂来降低反应能垒、加速反应速率。目前，商业上最先进的催化剂多为贵金属基材料，如用于ORR/HER的Pt/C和用于OER的RuO₂/IrO₂。这些材料虽然性能优越，但稀缺性、高成本以及较差的电化学稳定性严重阻碍了它们的商业化应用。因此，开发一种成本低廉、性能出色且具备同时催化OER、HER和ORR三种反应能力的“三功能”电催化剂，对于简化材料制备、降低整体成本、推动器件集成具有重要意义。尽管已有不少研究致力于开发三功能催化剂，但大多数是结构复杂的纳米复合材料，这使得准确识别真实活性组分和揭示催化机理变得困难。因此，探索具有明确结构和高综合性能的三功能电催化剂是当前研究的热点。

研究内容：

为了解决上述难题，本研究报道了一种具有明确超交换双钙钛矿结构的单相三功能电催化剂——Sr₂CoRuO₆₋δ (SCRO)。该催化剂利用其独特的Co³⁺-O-Ru⁵⁺超交换效应，在碱性条件下实现了对OER、HER和ORR的高效催化。

1. 电催化性能数据：

·析氧反应（OER）： SCRO表现出优异的OER活性。在10 mA cm⁻²的电流密度下，其过电位（η₁₀）仅为297 mV，远低于基准催化剂RuO₂。其质量活性在过电位为350 mV时达到82.98 A g⁻¹ oxide，分别是单B位点对照样品SCO（14.97 A g⁻¹ oxide）和SRO（4.43 A g⁻¹ oxide）的约5.5倍和18.7倍。此外，SCRO在10 mA cm⁻²的电流密度下经过60小时的恒电位测试后，过电位几乎没有变化，展现出卓越的稳定性。

·析氢反应（HER）： SCRO同样具备高效的HER活性。在-10 mA cm⁻²的电流密度下，其过电位仅为101 mV，显著优于SCO和SRO。值得注意的是，在-0.17 V之后，其HER电流甚至超过了商业标杆Pt/C催化剂。在过电位为-250 mV时，其质量活性也远超对照样品。在-10 mA cm⁻²的电流密度下，SCRO能够稳定运行100小时，过电位变化微乎其微。

·氧还原反应（ORR）： SCRO的ORR性能同样亮眼。它的起始电位和半波电位分别达到了0.699 V和0.725 V（相对于可逆氢电极）。通过旋转环盘电极测试，计算出其电子转移数为3.89-4.00，H₂O₂产率低于10%，表明其遵循高效的4电子转移路径。在经历1000次循环伏安加速老化测试后，其极化曲线几乎与初始曲线重合，显示出卓越的电化学稳定性。

2. 器件性能数据：

·液态可充电锌-空气电池（ZABs）： 以SCRO作为空气电极的液态锌-空气电池表现出惊人的性能。其峰值功率密度高达216 mW cm⁻²，优于商业Pt/C+RuO₂电极（182 mW cm⁻²）；比容量高达748 mAh g⁻¹ Zn；在5 mA cm⁻²的电流密度下，其循环寿命长达1000小时（6000次循环），远超Pt/C+RuO₂的250小时，展现出卓越的长期稳定性。

·固态柔性锌-空气电池： SCRO同样适用于固态柔性电池。其室温下峰值功率密度达到128 mW cm⁻²（高于Pt/C+RuO₂的91 mW cm⁻²），且在60°C到-40°C的宽温度范围内均能稳定工作，表现出优异的温度适应性。此外，在0°到180°的不同弯折角度下，电池的充放电电压保持稳定，展现了出色的机械灵活性。两个串联的SCRO基柔性电池可以为手机充电，展示了其作为可穿戴设备电源的巨大潜力。

·阴离子交换膜水电解器（AEMWE）： 采用SCRO同时作为阳极和阴极催化剂的AEMWE，在60°C下，仅需1.90 V的电压即可达到工业级电流密度1 A cm⁻²，性能优于贵金属基RuO₂ || 20% Pt/C电解器（1.99 V）。在0.5 A cm⁻²的电流密度下，该电解器可以稳定运行100小时，性能衰减率仅为0.8 mV h⁻¹，远低于对比组（7.5 mV h⁻¹）。更为重要的是，当将SCRO基AEMWE与商业太阳能电池集成时，系统能够在自然日照波动下实现稳定、快速的响应，并成功产生氢气，模拟了利用可再生电力进行制氢的实际应用场景。

工作创新点：

1.单一材料实现三功能： 首次报道了一种单相双钙钛矿材料Sr₂CoRuO₆₋δ，通过其独特的超交换效应，同时高效催化OER、HER和ORR三种关键反应，解决了以往多组分催化剂结构复杂、机理不明的问题。

2.精准识别真实活性组分： 通过结合原位X射线衍射、原位X射线吸收谱和高分辨透射电镜等一系列先进表征技术，首次揭示了SCRO催化剂在不同反应条件下的“时空表面重构行为”，并准确识别出三种不同的真实活性组分： 

oOER： 表面重构形成的非晶态(Co,Ru)OₓHᵧ相，具有高价态的Co/Ru和缩短的金属-氧键。

oHER： 表面溶出形成的Ru金属和CoRu合金纳米颗粒，作为双活性位点。

oORR： 拉伸应变表面，具有较低的氧化态、较长的键长和扩大的晶格。

3.器件集成与实际应用： 成功将SCRO应用于高性能液态/固态锌-空气电池和阴离子交换膜水电解器，并实现了太阳能驱动的自发全解水系统，证实了其在实际能源器件中的巨大应用潜力。

原文信息

Yuan, L., Huang, WH., Tang, Z. et al. Trifunctional electrocatalyst with accurate surface reconstruction for zinc-air batteries and water electrolyzers. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74714-5

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