由于反应动力学迟缓且反应要求不同，氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）性能之间的平衡问题，给高性能水系可充电锌空气电池（a-r-ZABs）的设计带来了挑战，精确控制原子和电子结构对于合理设计高效双功能氧电催化剂至关重要。
在此，清华大学张如范团队设计了一种Sn–Co/RuO₂三金属氧化物，采用双活性位点和锡（Sn）调控策略，将用于ORR的Co和辅助Sn分散到用于OER的RuO₂的近表面和表面，以同时提升ORR和OER性能。理论计算和先进的动态监测实验均表明，辅助Sn有效调控了Ru和Co双活性位点的原子/电子环境，优化了*OOH/*OH的吸附行为，并促进了最终产物的释放，从而突破了反应限制。
因此，所设计的Sn–Co/RuO₂催化剂展现出卓越的双功能性能，氧电位差（ΔE）为0.628 V，在200,000次（ORR）或20,000次（OER）CV测试后，活性衰减可忽略不计。基于Sn–Co/RuO₂催化剂的a-r-ZABs在-30~65 °C的宽温度范围内表现出更优的性能。在5 mA cm⁻²电流密度下，展现出长达138天（20,000次循环）的超长使用寿命。
此外，经过长期测试后，其仍能保持85.8%的初始功率密度，显著优于此前报道的催化剂。更重要的是，该a-r-ZABs在10 mA cm⁻²的高电流密度下还表现出766.45小时（约4598次循环）的出色稳定性。
图1. 理论计算
总之，该工作通过将原子级分散的Co活性位点和Sn辅助位点引入并组装到负载型RuO₂的近表面和表面，开发出了一种高性能的Sn-Co/RuO₂双功能ORR/OER催化剂。辅助Sn有效地调控了Ru和Co双活性位点的原子/电子结构，优化了*OOH/*OH的吸附行为，促进了最终产物的释放。基于此，Sn-Co/RuO₂展现出惊人的高初始性能，在经过200,000次ORR测试后，性能衰减仅为19 mV。基于Sn-Co/RuO₂的a-r-ZAB在-30 ℃~65℃的宽温度范围内都表现出高性能。
值得注意的是，基于Sn-Co/RuO₂的a-r-ZAB装置在-20 ℃、5 mA cm–2的高电流密度下，能够安全稳定地运行至少138天。因此，该工作为a-r-ZABs的发展提供了新的思路。
图2. 电池性能
Atomic-Level Tin Regulation for High-Performance Zinc–Air Batteries, Journal of the American Chemical Society 2025 DOI: 10.1021/jacs.4c12601