在質子交換膜燃料電池(PEMFC)中，Pt是氧還原反應(ORR)活性最高的材料。然而，貴金屬Pt儲量稀少和價格昂貴，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數量的減少或發生團聚。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定性問題。同時，盡管ORR活性增強，但每個位點的轉換頻率越高，對保持穩定性的壓力越大，導致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合含氧中間體(*OOH，*O和*OH)過于強烈，導致表面中毒和緩慢的動力學過程。因此，開發高效、耐用和經濟的ORR催化劑對于PEMFC的實際應用具有重要意義。

近日，華中師范大學朱成周和名古屋大學Yusuke Yamauchi等合成了一種碳負載的Pt納米粒子-Mn單原子催化劑(Pt_NP-Mn_SA/C)，其中Pt負載量為4wt%。實驗結果和理論研究表明，Mn_SA與Pt位點協同吸附和活化O₂，并由于強的電子極化而促進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使Pt位點的d帶中心下移，促進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、較高的結構穩定性、較低的解離能以及類Fenton反應活性，這些都有助于提高Pt_NP-Mn_SA/C的反應耐久性。

性能測試結果顯示，Pt_NP-Mn_SA/C催化劑表現出良好的ORR性能，在酸性介質中的半波電位(E_1/2)為0.93 V_RHE，在0.9 V_RHE下的質量活性為1.77 A mg_Pt^?1，是商業Pt/C的19倍；并且，其在經過80000次循環后活性衰減可忽略不計。此外，研究人員將Pt_NP-Mn_SA/C加入膜電極組件陰極(MEA)以測試燃料電池的性能，結果顯示，Pt_NP-Mn_SA/C在2.87 A cm^?2時的功率密度達到1214 mW cm^?2，優于商業Pt/C(832 mW cm^?2，2.25 A cm^?2)。

綜上，該項工作為打破電催化中的標度關系和規避內在權衡因素提供了一個有前途的策略，為設計既能提高能源效率又能降低成本的催化劑提供了指導。

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