质子交换膜燃料电池(PEMFC)能够将清洁的氢气转化为高效率、高能量密度的电能，被认为是降低化石燃料消耗及实现向碳中和的重要装置。由于氧还原反应动力学缓慢，质子交换膜燃料电池的性能和寿命主要取决于阴极电催化剂的活性和稳定性。传统的氧还原电催化剂是碳负载铂族金属纳米粒子，但目前的Pt/C催化剂存在活性和稳定性不足的问题。Pt与其他3d过渡金属(M)合金化可以显着提高氧还原活性。
然而，在质子交换膜燃料电池苛刻的工作条件下，Pt-M合金中的过渡金属容易发生溶解，导致催化活性降低。因此，开发铂族金属催化剂用于质子交换膜燃料电池的氧还原反应是一个巨大的挑战。为了提高Pt族金属催化剂的效能和稳定性，纽约州立大学布法罗分校武刚、阿贡国家实验室Deborah J. Myers和普渡大学印第安纳波利斯分校谢剑等探索了碳载体上富单Mn位点(MnSA-NC)与铂纳米粒子之间可能存在的协同效应。综合实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，MnN4位点能够诱导Pt团簇与碳载体之间产生强耦合作用，这种协同作用增强了Pt团簇与Mn-NC载体之间的化学结合，提高了催化剂的稳定性，减弱了OH中间体在Pt表面的吸附强度，从而提高了催化剂的本征ORR活性。并且，DFT计算结果表明，MnN4是增强Pt-载体相互作用和提高氧还原活性的最佳掺杂剂。旋转环盘电极(RRDE)测试和综合膜电极组体(MEA)测试表明，MnSA-NC负载的超细Pt和L12-Pt3Co金属间化合物纳米颗粒具有优异的活性和稳定性。特别地，具有0.1 mgPt cm-2低负载量的Pt@MnSA-NC基MEA在0.9 ViR-free下产生0.63 A mgPt-1的高ORR质量活性(MA)，并且在30000个加速应力测试(AST)循环后保留初始值的78%。此外，具有相同Pt负载量的L12-Pt3Co@MnSA-NC催化剂在0.7 V电压下达到1.14 W cm-2的功率密度，MA在AST循环后仅损失27%。总的来说，这项工作阐明了原子分散的 mnn4位点富集碳和PGM NPs之间的协同效应，为设计高效的质子交换膜燃料电池催化剂提供了指导。Regulating Catalytic Properties and Thermal Stability of Pt and PtCo Intermetallic Fuel-Cell Catalysts via Strong Coupling Effects between Single-Metal Site-Rich Carbon and Pt. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c03345
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