天津大学JACS：构建空间相关Pt-Mn原子对，避免Sabatier限制以提升氧电还原活性

氢燃料电池是一种理想的发电装置，但由于阴极氧还原反应(ORR)的高过电位，氢燃料电池的能量利用率仍远低于83%。目前，贵金属，通常是铂(Pt)，在商业燃料电池中作为ORR的催化剂，但由于贵金属价格昂贵和稀缺性而不能大规模使用。原子分散催化剂具有最大的原子利用率和最少的催化剂用量，在ORR等电催化反应中具有广阔的应用前景。

然而，由于Pt在燃料电池中的原子分散性，有效提升功率密度和耐久性仍然是一个巨大的挑战。同时，线性尺度关系(LSR)给大多数催化剂(包括基准Pt催化剂)带来了固有的Sabatier限制，导致催化剂具有不可逾越的过电位上限，阻碍了高效电催化剂的发展。

为了克服这种局限性，天津大学邹吉军和黄振峰等以不同晶相的富土金属氧化物为模型材料，通过构建空间相关的Pt-Mn对位点，提出了一种有效的动态反应路径，实现了高活性与低Pt负载量之间的良好平衡。

实验和理论计算表明，通过控制Pt-Mn对的金属间距和电荷分布，可以有效地促进这些位点通过桥构型断裂O-O键，避免*OOH中间体的形成。同时，动态吸附构型由O₂的桥式构型转变为*OH的端接构型，促进了*OH在该金属对中Mn位的解吸，从而避免了Sabatier的限制。

因此，所制备的Pt-Mn/β-MnO₂表现出优异的ORR活性和稳定性，其半波电位(E_1/2)为0.93 V，并且在连续电解70 h内几乎没有发生活性降解。此外，将该催化剂应用于H₂-O₂阴离子交换膜燃料电池阴极，该电池在0.6 V电压下的峰值功率密度达到287 mW cm^-2，稳定性达到500 h，优于商业Pt/C催化剂。

总的来说，该项工作揭示了原子对位点与多种反应物/中间体的适应性成键相互作用，为合理设计超越Sabatier最佳值的高效原子级分散ORR催化剂提供了指导。

Avoiding Sabatier’s limitation on spatially correlated Pt–Mn atomic pair sites for oxygen electroreduction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c08665