氢燃料电池以及金属空气电池被认为是下一代极具潜力的清洁能源。然而，它们的效率目前仍受限于动力学缓慢的氧还原反应。近年，研究人员开发了氮配位的过渡金属单原子催化剂（M-N-C），由于其较高的催化活性和100%的原子利用率，被认为是传统金属铂（Pt）催化剂的最佳替代品之一。

然而，传统M-N-C材料的活性依旧无法同Pt催化剂媲美，且它们在实际应用中的稳定性也无法保证在燃料电池中的长期使用；同时，由于过氧化物副产物的存在，部分金属(如铁等)会产生芬顿作用，加速催化剂以及燃料电池组件的衰减。

近日，新南威尔士大学的卢迅宇高级讲师，Rose Amal院士和澳大利亚国立大学的Sean Smith教授以及台湾同步辐射研究中心的陈锦明教授合作，以M-N-C结构为研究对象，通过设计以一种配位可控的Pt单原子组装策略，构建了磷在外层配位修饰的Pt单原子位点，组装成空心纳米碳球用于高活性、高稳定性和高转化效率（TOF）的氧还原反应。

传统Pt基催化剂通常使用了大量的金属铂来保证其催化活性。因此Pt单原子催化剂的开发有助于极大降低Pt的用量，从而降低催化剂的成本。而通过配位结构的设计可以增强Pt单原子位点的催化性能。本工作中，选用了具有较多价电子的磷来参与构建Pt原子活性位点。首先，DFT理论模拟计算帮助构建和预测了多种不同的铂原子配位构型。研究发现，当磷原子取代Pt-N3位点的α-碳时，Pt的d带中心变深，有利于氧还原的进行。

研究人员通过聚合-碳化的方法实验合成了此催化剂。该催化剂仅含有约0.026 wt%的Pt，却展现出媲美商用Pt/C（20 wt%）的氧还原活性，同时具有高达6.80 s^-1的转化效率（在0.9V_RHE处）。该工作为解决燃料电池中的催化剂配位设计提供了一个新的思路。

论文信息：

Intrinsic ORR Activity Enhancement of Pt Atomic Sites by Engineering d-Band Center via Local Coordination Tuning

Xunyu Lu, Xiaofeng Zhu, Xin Tan, Kuang-Hsu Wu, Shu-Chih Haw, Chih-Wen Pao, Bing-Jian Su, Junjie Jiang, Sean. C. Smith, Jin-Ming Chen, Rose Amal

论文第一作者是朱潇锋博士和谭歆博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202107790