青岛科技大学吕清良/王磊教授，ACS Nano：原子级不对称Ru-O-Co位点加速氧氧化还原并抑制副反应以实现稳定锂-氧气电池

第一作者：李雅靖

通讯作者：王磊*，吕清良*

单位：青岛科技大学

Li−O₂电池因其超高的理论能量密度（3600 Wh·kg⁻¹）和成本效益而被认为是最终的储能技术。然而，高氧化还原反应能垒和阴极上积累的副产物导致Li−O₂电池高过电位和差的循环寿命，严重阻碍了其发展。过渡金属氧化物（TMOs）因其低成本、高元素丰度和可调结构而作为Li–O₂电池的理想候选材料受到广泛关注。近期研究表明，在TMO基底上构建单原子催化剂可有效提高其催化活性和结构稳定性，有利于氧氧化还原动力学。此外，引入孤立活性位点可调控主体材料的电子结构，从而优化对氧中间体的吸附。几种单原子催化剂，如Pt/β-MnO₂和Pt/Fe₂O₃，已被证实可改变氧中间体的吸附模式，从而调控氧还原路径并改善反应动力学。因此，合理构建TMO基单原子催化剂并阐明其构效关系对Li–O₂电池具有重要意义。

近日，来自青岛科技大学的吕清良教授和王磊教授在ACS Nano上发表题为“Atomically Asymmetrical Ruthenium−Oxygen−Cobalt Sites Accelerate Oxygen Redox and Suppress Side Reactions for Stable Lithium−Oxygen Batteries”的学术论文。该论文创新性地提出了一种以碳纳米笼为载体、在八面体Co位点上进行原子级Ru取代的改性Co₃O₄纳米颗粒（RuCoOₓ@HCNs）作为阴极催化剂，以促进充放电过程中Li₂O₂的形成与分解。实验与理论计算表明，具有高度对称八面体Ru–O–Co结构的RuCoOₓ@HCNs表现出强电子耦合效应和优化的d轨道能级，可触发快速电子转移，加速氧的活化与转化动力学。此外，RuCoOₓ@HCNs对反应中间体表现出强吸附能力，诱导放电过程中在其表面快速形成具有低阻抗接触界面的纳米针状Li₂O₂，从而抑制副反应并促进充电过程中的可逆分解。这些特性使得基于RuCoOₓ@HCNs组装的Li–O₂电池能够实现增强的反应动力学、低极化、优异的倍率性能和延长的循环寿命。

以ZIF-67为模板，经过化学刻蚀、热解和阳离子交换反应制备了一种中空碳纳米笼结支撑的RuCoOx纳米颗粒阴极催化剂（RuCoOx@HCNs）。

不对称的八面体Ru−O−Co位点引发了电荷重新分配，优化d轨道能级，有效地促进了氧的活化及向超氧阴离子的转化，并对反应中间体表现出强吸附能力，诱导放电过程中在其表面快速形成具有低阻抗接触界面的纳米针状Li₂O₂，从而抑制副反应并促进充电过程中的可逆分解。

基于RuCoOₓ@HCNs电极的Li–O₂电池在200 mA g⁻¹电流密度下可实现了0.96 V的低充放电极化，并稳定运行2200小时而无性能衰减。

Asymmetrical Ruthenium−Oxygen−Cobalt Sites Accelerate Oxygen Redox and Suppress Side Reactions for Stable Lithium−Oxygen Batteries

吕清良（通讯作者）：教授，硕士/博士生导师，山东省泰山学者青年专家，青岛市电池安全与储能技术创新中心副主任，2022年于南开大学获得物理化学博士学位。主要围绕新型高比能电池关键材料与器件的设计开展研究工作，近五年，以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Appl. Catal. B: Environ.等学术期刊发表20余篇研究论文，年度前1%高被引论文5篇。担任eScience、EcoEnergy等期刊青年编委。

王磊（通讯作者）：教授，硕士/博士生导师，省部共建生态化工国家重点实验室培育基地主任。主要研究方向为能源转换与储存材料（光电催化、锂电等）、超分子化学、金属-有机骨架材料、海水资源化利用（海水制氢、制氯、提溴、提锂）。以通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国内外重要学术期刊上发表SCI论文400余篇。先后获得中国可再生能源学会科学技术人物奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖等多项奖励。

李雅靖：青岛科技大学化学与分子工程学院2023级硕士，从事锂-氧电池正极催化剂的设计及性能研究。