氫燃料電池是一種理想的發(fā)電裝置，但由于陰極氧還原反應(yīng)(ORR)的高過電位，氫燃料電池的能量利用率仍遠(yuǎn)低于83%。目前，貴金屬，通常是鉑(Pt)，在商業(yè)燃料電池中作為ORR的催化劑，但由于貴金屬價格昂貴和稀缺性而不能大規(guī)模使用。原子分散催化劑具有最大的原子利用率和最少的催化劑用量，在ORR等電催化反應(yīng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，由于Pt在燃料電池中的原子分散性，有效提升功率密度和耐久性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。同時，線性尺度關(guān)系(LSR)給大多數(shù)催化劑(包括基準(zhǔn)Pt催化劑)帶來了固有的Sabatier限制，導(dǎo)致催化劑具有不可逾越的過電位上限，阻礙了高效電催化劑的發(fā)展。

為了克服這種局限性，天津大學(xué)鄒吉軍和黃振峰等以不同晶相的富土金屬氧化物為模型材料，通過構(gòu)建空間相關(guān)的Pt-Mn對位點，提出了一種有效的動態(tài)反應(yīng)路徑，實現(xiàn)了高活性與低Pt負(fù)載量之間的良好平衡。

實驗和理論計算表明，通過控制Pt-Mn對的金屬間距和電荷分布，可以有效地促進(jìn)這些位點通過橋構(gòu)型斷裂O-O鍵，避免*OOH中間體的形成。同時，動態(tài)吸附構(gòu)型由O₂的橋式構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)?OH的端接構(gòu)型，促進(jìn)了*OH在該金屬對中Mn位的解吸，從而避免了Sabatier的限制。

因此，所制備的Pt-Mn/β-MnO₂表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性和穩(wěn)定性，其半波電位(E_1/2)為0.93 V，并且在連續(xù)電解70 h內(nèi)幾乎沒有發(fā)生活性降解。此外，將該催化劑應(yīng)用于H₂-O₂陰離子交換膜燃料電池陰極，該電池在0.6 V電壓下的峰值功率密度達(dá)到287 mW cm^-2，穩(wěn)定性達(dá)到500 h，優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑。

總的來說，該項工作揭示了原子對位點與多種反應(yīng)物/中間體的適應(yīng)性成鍵相互作用，為合理設(shè)計超越Sabatier最佳值的高效原子級分散ORR催化劑提供了指導(dǎo)。

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