在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中，Pt是氧還原反應(yīng)(ORR)活性最高的材料。然而，貴金屬Pt儲(chǔ)量稀少和價(jià)格昂貴，減少材料中Pt含量是減少其使用的最直接的策略，但這通常伴隨著活性位點(diǎn)數(shù)量的減少或發(fā)生團(tuán)聚。Pt與其他后過渡金屬合金化提高了Pt的活性，降低了Pt的利用率，但這些摻雜原子的快速溶解通常引起穩(wěn)定性問題。同時(shí)，盡管ORR活性增強(qiáng)，但每個(gè)位點(diǎn)的轉(zhuǎn)換頻率越高，對(duì)保持穩(wěn)定性的壓力越大，導(dǎo)致Pt原子的快速溶解。

此外，由于Pt的d帶中心(ε_d)的高位置使得它們結(jié)合含氧中間體(*OOH，*O和*OH)過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致表面中毒和緩慢的動(dòng)力學(xué)過程。因此，開發(fā)高效、耐用和經(jīng)濟(jì)的ORR催化劑對(duì)于PEMFC的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

近日，華中師范大學(xué)朱成周和名古屋大學(xué)Yusuke Yamauchi等合成了一種碳負(fù)載的Pt納米粒子-Mn單原子催化劑(Pt_NP-Mn_SA/C)，其中Pt負(fù)載量為4wt%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論研究表明，Mn_SA與Pt位點(diǎn)協(xié)同吸附和活化O₂，并由于強(qiáng)的電子極化而促進(jìn)O-O鍵的斷裂；另一方面，Pt_NP與Mn_SA修飾的載體之間的電子效應(yīng)使Pt位點(diǎn)的d帶中心下移，促進(jìn)了含氧中間體的脫附過程。

重要的是，Pt_NP-Mn_SA/C具有較低的H₂O₂生成量、較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、較低的解離能以及類Fenton反應(yīng)活性，這些都有助于提高Pt_NP-Mn_SA/C的反應(yīng)耐久性。

性能測(cè)試結(jié)果顯示，Pt_NP-Mn_SA/C催化劑表現(xiàn)出良好的ORR性能，在酸性介質(zhì)中的半波電位(E_1/2)為0.93 V_RHE，在0.9 V_RHE下的質(zhì)量活性為1.77 A mg_Pt^?1，是商業(yè)Pt/C的19倍；并且，其在經(jīng)過80000次循環(huán)后活性衰減可忽略不計(jì)。此外，研究人員將Pt_NP-Mn_SA/C加入膜電極組件陰極(MEA)以測(cè)試燃料電池的性能，結(jié)果顯示，Pt_NP-Mn_SA/C在2.87 A cm^?2時(shí)的功率密度達(dá)到1214 mW cm^?2，優(yōu)于商業(yè)Pt/C(832 mW cm^?2，2.25 A cm^?2)。

綜上，該項(xiàng)工作為打破電催化中的標(biāo)度關(guān)系和規(guī)避內(nèi)在權(quán)衡因素提供了一個(gè)有前途的策略，為設(shè)計(jì)既能提高能源效率又能降低成本的催化劑提供了指導(dǎo)。

Pt nanoparticle–Mn single-atom pairs for enhanced oxygen reduction. ACS Nano, 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c09819