​华中师大ACS Nano：构建Pt纳米粒子-Mn单原子对，显著增强ORR反应活性

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，Pt是氧还原反应(ORR)活性最高的材料。然而，贵金属Pt储量稀少和价格昂贵，减少材料中Pt含量是减少其使用的最直接的策略，但这通常伴随着活性位点数量的减少或发生团聚。Pt与其他后过渡金属合金化提高了Pt的活性，降低了Pt的利用率，但这些掺杂原子的快速溶解通常引起稳定性问题。同时，尽管ORR活性增强，但每个位点的转换频率越高，对保持稳定性的压力越大，导致Pt原子的快速溶解。

此外，由于Pt的d带中心(ε_d)的高位置使得它们结合含氧中间体(*OOH，*O和*OH)过于强烈，导致表面中毒和缓慢的动力学过程。因此，开发高效、耐用和经济的ORR催化剂对于PEMFC的实际应用具有重要意义。

近日，华中师范大学朱成周和名古屋大学Yusuke Yamauchi等合成了一种碳负载的Pt纳米粒子-Mn单原子催化剂(Pt_NP-Mn_SA/C)，其中Pt负载量为4wt%。实验结果和理论研究表明，Mn_SA与Pt位点协同吸附和活化O₂，并由于强的电子极化而促进O-O键的断裂；另一方面，Pt_NP与Mn_SA修饰的载体之间的电子效应使Pt位点的d带中心下移，促进了含氧中间体的脱附过程。

重要的是，Pt_NP-Mn_SA/C具有较低的H₂O₂生成量、较高的结构稳定性、较低的解离能以及类Fenton反应活性，这些都有助于提高Pt_NP-Mn_SA/C的反应耐久性。

性能测试结果显示，Pt_NP-Mn_SA/C催化剂表现出良好的ORR性能，在酸性介质中的半波电位(E_1/2)为0.93 V_RHE，在0.9 V_RHE下的质量活性为1.77 A mg_Pt⁻¹，是商业Pt/C的19倍；并且，其在经过80000次循环后活性衰减可忽略不计。此外，研究人员将Pt_NP-Mn_SA/C加入膜电极组件阴极(MEA)以测试燃料电池的性能，结果显示，Pt_NP-Mn_SA/C在2.87 A cm⁻²时的功率密度达到1214 mW cm⁻²，优于商业Pt/C(832 mW cm⁻²，2.25 A cm⁻²)。

综上，该项工作为打破电催化中的标度关系和规避内在权衡因素提供了一个有前途的策略，为设计既能提高能源效率又能降低成本的催化剂提供了指导。

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