郑大张佳楠，Nat. Commun.！

实现可持续能源供应需要在设计廉价且耐用的高效质子交换膜燃料电池(PEMFCs)催化剂方面取得创新性突破。目前，Pt基催化剂被认为是PEMFC阴极氧还原反应(ORR)最有前途的催化剂，但其高成本和有限的储量阻碍了PEMFC大规模应用。因此，在不影响催化剂活性和耐久性的前提下降低催化剂中Pt的用量是一个迫切需要解决的问题。

最近，有序的PtM合金纳米结构(其中M是Ni、Co或Fe等金属)被用于降低Pt负载，同时增加ORR在酸性介质中的催化活性。研究表明，PtM合金纳米结构的高性能受d带中心理论、应变效应、尺寸效应和表面效应的调节。尽管在开发先进的Pt基催化剂以提高Pt的利用率和ORR的质量活性方面已经取得了巨大的进展，但是一些动力学缓慢问题无法规避，因此实现高活性和长寿命的PEMFC仍然是一项重大挑战性。

为了提高低Pt催化剂的性能，郑州大学张佳楠课题组在Fe_SAs-N-C上构建了一种稳定的低Pt载量电催化剂(表示为PtFe@Fe_SAs-N-C。利用定向自旋电荷注入效应将电荷注入到Pt位点，并通过磁场变化来优化PtFe合金纳米晶中的双Fe位点与碳载体上原子分散的FeN₄位点之间的相互作用，从而优化中间体吸附行为，提升ORR性能。运算实验和理论证明，Fe dz²轨道的注入电子填充了垂直的Pt dz²轨道，实现了O₂的侧向吸附和解离途径(直接4e⁻途径)。

此外，Pt dz²轨道和OH*的2p轨道之间产生的σ*键加速了OH*的解吸，并有效地抑制了位点阻断效应，从而促进了ORR动力学。这一过程不仅实现了电化学可及性，而且还限制了催化剂的聚集，并延缓了碳载体的腐蚀、金属脱离和奥斯瓦尔德熟化过程。

性能测试结果显示，PtFe@Fe_SAs-N-C催化剂在0.9 V下具有高质量活性(0.75 A mg_Pt^-1)，峰值功率密度为1.24 W cm^-2，在质子交换膜燃料电池(PEMFC)试验中显示出优异的额定功率(10.3 W mg_Pt^-1)。

更重要的是，PtFe@Fe_SAs-N-C还显示出非凡的耐久性，经过30000次循环后仍保留97%的高质量活性，在0.8 A cm^-2电流密度处的电压损失仅为6 mV，并且在0.6 V下连续运行220小时过程中没有明显的电流下降。总的来说，该项工作通过自旋电子调控有效提升了低Pt载量催化剂的催化性能，为设计高效实用的PEMFC阴极材料提供了新的策略。

Spin occupancy regulation of the Pt d-orbital for a robust low-Pt catalyst towards oxygen reduction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-50332-x