南京航空航天大学朱印龙&国立阳明交通大学陳錦明最新Nature子刊丨精准重构三功能钙钛矿催化剂!

可持续能源转换与储存体系，如水分解、金属空气电池和燃料电池，都依赖OER、HER和ORR等关键电化学反应。

然而，这些反应动力学迟缓，传统Pt/C、RuO₂或IrO₂等贵金属催化剂又存在成本高、资源稀缺和稳定性不足等问题，因此开发低成本、高活性且稳定的多功能催化剂具有重要意义。

已有三功能催化剂多为纳米碳与过渡金属化合物形成的复合体系，虽然性能可观，但结构和组分过于复杂，真实活性位点与机制来源难以清晰判定。相比之下，钙钛矿氧化物具有明确晶体结构、可调金属位点和较好化学稳定性，是解析结构-性能关系的理想平台。

该研究选择双钙钛矿Sr₂CoRuO₆₋δ作为模型体系，利用Co³⁺-O-Ru⁵⁺超交换作用调控电荷分布和电子传输，并进一步考察其在锌空气电池和阴离子交换膜水电解器中的器件表现，目标是把基础催化机制与实际能源器件连接起来。

近日，南京航空航天大学朱印龙、国立阳明交通大学陳錦明在Nature Communications发表了题为"Trifunctional electrocatalyst with accurate surface reconstruction for zinc-air batteries and water electrolyzers"的研究论文，Lingjie Yuan为论文第一作者，朱印龙、陳錦明为论文通讯作者。

核心亮点

1. 构筑了具有Co³⁺-O-Ru⁵⁺超交换作用的单相双钙钛矿Sr₂CoRuO₆₋δ，避免复杂复合催化剂中活性位难以判定的问题。

2. SCRO同时表现出优异OER、HER和ORR性能，OER在10 mA cm⁻²下过电位为297 mV，HER在-10 mA cm⁻²下过电位为101 mV，ORR呈近四电子路径。

3. 原位XRD、XANES、EXAFS与HRTEM共同表明，SCRO会根据OER、HER、ORR反应环境发生差异化表面重构。

4. SCRO用于液态锌-空气电池时实现216 mW cm⁻²峰值功率密度、748 mAh g⁻¹比容量和1000 h稳定循环，并可拓展到柔性固态电池。

5. SCRO作为AEMWE阴极和阳极催化剂，在1 A cm⁻²下仅需1.90 V，并能与波动太阳能电源耦合稳定运行。

📄 全文速览

开发面向析氧反应、析氢反应和氧还原反应的低成本三功能电催化剂，对可持续能源转换与储存器件非常重要，但仍具有挑战性。

该研究报道了一种单相三功能电催化剂Sr₂CoRuO₆₋δ，其具有明确的超交换双钙钛矿结构，能够在碱性条件下高效催化析氧、析氢和氧还原反应。

作为空气电极，Sr₂CoRuO₆₋δ用于液态可充电锌空气电池时可实现216 mW cm⁻²的高峰值功率密度、748 mAh g⁻¹的高比容量和长达1000 h的寿命；用于固态柔性锌空气电池时，还表现出宽温度适应性和形变适应性。

此外，以Sr₂CoRuO₆₋δ同时作为阴极和阳极的阴离子交换膜水电解器，在1 A cm⁻²电流密度下仅需1.90 V电池电压，并且在耦合波动太阳能电力时表现出稳定、快速的响应。

结合互补的原位技术和显微表征，该研究系统考察了Sr₂CoRuO₆₋δ在不同反应条件下的时空表面重构行为，并识别了真实活性组分。

📊 图文解读

图1 | SCRO的双钙钛矿结构、元素均匀分布、Co/Ru价态和超交换电荷重分布得到系统确认。

结果显示，SCRO经固相反应法形成纯单斜I2/c双钙钛矿结构，XRD精修、HRTEM和SAED共同证明晶体结构可靠。HAADF-STEM-EDS显示Sr、Co、Ru、O分布均匀；

XANES和EXAFS进一步确认Co³⁺、Ru⁵⁺及近六配位环境，DFT表明Ru向Co发生电子转移，形成Co³⁺-O-Ru⁵⁺超交换作用。

图2 | SCRO在OER、HER和ORR三类反应中均表现出高活性、高选择性和良好耐久性。

电化学测试表明，SCRO的OER过电位在10 mA cm⁻²下为297 mV，Tafel斜率低于SCO和SRO，并在60 h恒电流测试中保持稳定。HER中SCRO在-10 mA cm⁻²下仅需101 mV过电位，连续100 h运行变化很小；ORR中半波电位更正，电子转移数为3.89-4.00，H₂O₂产率低于10%。

图3 | OER过程中SCRO表面重构为无定形(Co,Ru)OxHy活性层，Co/Ru价态同步升高。

原位XRD显示OER电位升高时衍射强度逐渐减弱且无新峰出现，指向表面无定形层形成；反应后HRTEM直接观察到约5 nm重构层。

原位Co-K和Ru-K边XANES显示Co由Co³⁺向Co⁴⁺转变，Ru由Ru⁵⁺向高价Ru⁶⁺演化，EXAFS进一步追踪局域配位变化，说明OER真实活性相为重构的(Co,Ru)OxHy表面相。

图4 | HER条件下SCRO发生还原型表面重构，生成Ru金属和CoRu合金纳米颗粒作为活性组分。

HER原位XRD与反应后HRTEM表明，SCRO在还原电位下出现不同于OER的表面演化。Co-K和Ru-K边XANES均向低能移动，说明Co³⁺和Ru⁵⁺被部分还原；计算得到-0.5 V下Co和Ru平均价态分别降至+2.56和+3.38。

结合FT-EXAFS结果，研究人员将HER真实活性组分归因于表面析出的Ru金属和CoRu合金纳米颗粒。

图5 | ORR过程中SCRO形成拉伸应变表面，伴随晶格膨胀、价态降低和配位数下降。

ORR条件下，HRTEM显示SCRO反应后(200)晶面间距由0.276 nm增至0.281 nm，说明晶格发生膨胀。时间依赖原位XANES显示Co/Ru价态随反应时间降低，30 min后Co平均价态降至+2.81，Ru降至+4.26；

EXAFS显示Co-O和Ru-O键长增加、峰强下降，指向配位数降低。真实活性组分被识别为拉伸应变SCRO表面。

图6 | SCRO用于液态和柔性锌空气电池时展现高功率、长寿命、宽温度和弯折适应性。

器件测试显示，SCRO基液态锌空气电池开路电压达1.41 V，最大功率密度为216 mW cm⁻²，比Pt/C+RuO₂基电池的182 mW cm⁻²更高，比容量达到748 mAh g⁻¹，并可在5 mA cm⁻²下稳定循环1000 h。柔性固态锌空气电池还能在60 °C至-40 °C及0°至180°弯折条件下保持输出能力。

图7 | SCRO双功能电极支撑AEMWE实现稳态高电流制氢，并能快速响应波动太阳能输入。

AEMWE测试表明，以SCRO同时作为阳极OER和阴极HER催化剂时，器件性能接近RuO₂ || 20% Pt/C基准体系，在1 A cm⁻²电流密度下电池电压为1.90 V，并可在500 mA cm⁻²下稳定运行100 h。

与商业太阳能电池耦合后，SCRO基AEMWE对波动输出电压表现出快速、稳定响应，体现实际可再生能源制氢潜力。

📝 总结

综上，得益于Co³⁺-O-Ru⁵⁺超交换作用及由不对称Co/Ru电荷分布诱导的内建局域电场，SCRO能够在OER、HER和ORR条件下发生可区分、可追踪的表面重构，并分别形成适配不同反应的真实活性组分。

凭借优异的三功能电催化性能，SCRO在液态与柔性锌空气电池中实现高功率密度、高比容量和长寿命，在阴离子交换膜水电解器中达到高电流低电压运行，并能与波动太阳能电源耦合。该工作为设计面向储能与转化器件的多功能电催化剂提供了重要思路。

Trifunctional electrocatalyst with accurate surface reconstruction for zinc-air batteries and water electrolyzers, Nature Communications, 2026, DOI:10.1038/s41467-026-74714-5.