现今，化石能源向清洁能源的转变已成世界范围内的共识。氢燃料电池具有无碳排放、能量密度大、充氢快速等优点，被日本、中国和美国等研究机构和团体作为化石能源的有效代替品，进行研发攻关。然而，它们的效率目前仍受限于动力学缓慢的氧还原反应，因此需要铂（Pt）催化剂加快反应速率。而Pt的昂贵价格已然成为燃料电池产业化商业化的主要掣肘。近年，氮配位的过渡金属单原子催化剂（M-N-C），被认为是传统铂（Pt）催化剂的最佳替代品之一。那么，有无可能将催化活性极强的Pt组装成M-N-C结构用于氧还原反应呢？近日，新南威尔士大学的Rose Amal院士、Xunyu Lu副教授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，利用DFT计算模拟并实验实现了一种高活性、高稳定性、高转化效率（TOF）且含量仅为0.026 wt%的Pt单原子氧还原催化剂。

部分研究工作者认为孤立的Pt单原子由于无法通过侧向吸附完成氧-氧键断裂，使得其氧还原过程趋向于2电子产物-过氧化物，而非燃料电池所需的4电子产物。新南威尔士大学团队认为，通过配位结构的设计增强了Pt单原子位点的催化性能，可以提高反应的选择性，实现Pt单原子的4电子氧还原。因此，本工作选用了具有较多价电子的磷来参与构建Pt原子活性位点。通过DFT理论模拟，他们构建和预测了多种不同的铂原子配位构型，并且发现，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。同时，研究人员利用实验成功合成了此催化剂。经测试，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，其TOF高达6.80 s-1（在0.9VRHE处），是商用Pt/C的近170倍。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是新南威尔士大学朱潇锋博士和澳大利亚国立大学谭歆博士。

来源：X-MOL