随着化石燃料的持续消耗和日益严重的环境问题，清洁能源技术的发展成为解决能源和环境问题的关键。燃料电池是一种绿色、高效、低噪音的技术，能够将化学能转化为电能。燃料电池技术在原理上弥补了其他能源（如锂电池）存在的容量小、充电慢、寿命短等缺点。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效的能量转换、低启动温度和环保特性而受到广泛关注。PEMFC已广泛应用于通信、家庭联合发电、大型电站、汽车、无人机和潜艇等多个领域。然而，由于质子交换膜、气体扩散层以及催化剂层中的阳极氢氧化反应（HOR）和阴极氧还原反应（ORR）催化剂的高成本，PEMFC的商业化仍面临诸多挑战。尤其是，主流的贵金属铂族催化剂占燃料电池堆成本的40%以上。PEMFC的工作原理基于两个关键反应：阳极的氢氧化反应（HOR）和阴极的氧还原反应（ORR），输入为绿色氢气，输出为电能和纯水。与阳极的HOR反应相比，ORR的动力学较慢，原因在于其复杂的四电子过程，导致ORR反应的速率比HOR低六个数量级以上。
本文总结了中国石油大学（华东）潘原教授，美国普林斯顿大学Bruce E. Koel教授，昆明理工大学李金成教授，中国科学技术大学姜政教授，华南理工大学崔志明教授，郑州大学易莎莎副教授等课题组的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
目前，质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是一种高效且环保的技术，具有较高的能量转换效率和较低的启动温度。然而，PEMFC的大规模商业化进程却受到动力不足、寿命较短以及基于铂的催化剂高成本的严重制约。近年来，单原子催化剂（SACs）在降低成本方面取得了显著进展，极大改善了PEMFC中阴极氧还原反应（ORR）和阳极氢氧化反应（HOR）的反应速率。然而，尽管许多研究表明，SACs在性能上可以与铂基催化剂媲美，甚至超越铂基催化剂，但其实际应用仍面临降解等问题。
鉴于此，中国石油大学（华东）潘原教授等人在Nano Research Energy上发表了题为 “Achilles’ heel of single atom catalysts towards practical PEMFC application: Degradation mechanisms and regulatory strategies” 的最新综述成果。
本文要点：
1. 在这篇文章中，“单原子催化剂在实际PEMFC应用中的致命弱点是什么？”是本综述的核心议题。
2. 本文回顾了近年来单原子催化剂在PEMFC中应用的最新进展，涵盖了HOR和ORR反应的基本原理与实际应用。
3. 针对高效PEMFC的需求，本文重点讨论了SACs的结构设计和调控，以提高PEMFC的性能和使用寿命。
4. 最后，本文指出了SACs在实际应用中的现存问题及设计原则，旨在为高效PEMFC的应用提供指导。
Guo H, Zhang P, Huang S, et al. Achilles’ heel of single atom catalysts towards practical PEMFC application: Degradation mechanisms and regulatory strategies. Nano Research Energy, 2024, https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120144.
随着氢能和燃料电池技术的迅速发展，开发高效且耐用的催化剂以优化氧还原反应（ORR）成为了当前的研究热点。作为燃料电池的关键反应，ORR的催化效率直接影响了燃料电池的性能和经济性，尤其是在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的商业化进程中。传统铂基催化剂虽然在ORR中表现出色，但其高成本和耐久性问题限制了其广泛应用。此外，铂的稀缺性以及在酸性环境中，合金中3d过渡金属的快速浸出等问题，进一步加大了催化剂开发的难度。在众多替代材料中，PtM（M = S、Se、Te）二硫族化合物因其独特的二维结构、高比表面积和稳定的化学性质，受到了广泛关注。这类材料具有丰富的活性位点和较低的铂使用量，理论计算显示，单层PtTe的氧还原反应性能优于传统铂催化剂，然而它们在实际应用中的潜力却未得到充分挖掘。由于PtM二硫族化合物在厚度变化时，其电子和催化性能也会随之改变，因此深入理解这些材料的催化机制显得尤为重要。
鉴于此，美国普林斯顿大学Bruce E. Koel教授团队在Nature Materials上发表了题为 “Reaction-driven restructuring of defective PtSe2 into ultrastable catalyst for the oxygen reduction reaction” 的最新研究成果。
本文要点：
1. 在本文中，作者合成了缺陷二硒化铂（DEF-PtSe2）催化剂（通过在铝箔上硒化薄铂膜，并采用强碱和酸溶液进行蚀刻）。
2. 通过电化学循环激活DEF-PtSe2催化剂，在氧气饱和的电解液中进行42,000个ORR循环后，DEF-PtSe2催化剂表现出1.3倍的比活性和2.6倍的质量活性，相比于商业Pt/C电催化剂，其性能显著提升。
3. DEF-PtSe2催化剂经过126,000个循环后仍保持优越性能，其比活性和质量活性分别是商业铂催化剂的2.89倍和4.53倍，展示了其作为耐用ORR催化剂的巨大潜力。
4. 量子力学计算支持实验结果，通过混合密度泛函理论（DFT）计算，揭示了DEF-PtSe2的催化机制，表明其优异的ORR性能源于Pt纳米颗粒与表面顶端活性位点的协同效应。
Niu, W., Pakhira, S., Cheng, G. et al. Reaction-driven restructuring of defective PtSe2 into ultrastable catalyst for the oxygen reduction reaction. Nat. Mater. 23, 1704–1711 (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02020-w.
目前，电化学氧还原反应（ORR）在能量存储和转换设备中具有重要意义，如碱性锌空气电池（ZABs）和酸性质子交换膜燃料电池（PEMFCs）。然而，ORR的反应动力学较为缓慢，涉及多个质子耦合电子转移步骤，这可能导致实际应用中的性能损失。为了解决这一挑战，亟需引入高性能催化剂。尽管铂基材料被认为是最有效的ORR电催化剂之一，但其在大规模应用中的推广受到稀缺性、高成本和稳定性不足等问题的限制。因此，许多研究致力于开发具有成本效益且稳定性较强的替代材料，以促进ZABs和PEMFCs的商业化进程。
鉴于此，昆明理工大学李金成教授等人在 Angewandte Chemie International Edition 上发表了题为“Meso/Microporous Single-Atom Catalysts Featuring Curved Fe−N4 Sites Boost the Oxygen Reduction Reaction Activity”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在这项研究中，作者通过热解在ZnO纳米棒表面修饰的卟啉ZIF薄膜，合成了一种原子分散的介/微孔Fe−N/C材料，命名为FeSA−N/TC，其中具有弯曲的Fe−N₄活性位点。该ZnO纳米棒通过ZnO水解反应与2-甲基咪唑自组装反应获得。
2. 密度泛函理论计算表明，弯曲的Fe−N₄活性位点能够减弱中间体的吸附作用，从而降低自由能屏障，提升氧还原反应（ORR）性能。
3. 具体而言，FeSA−N/TC在碱性介质中展现出优异的ORR性能，其半波电位为0.925 V，在酸性介质中为0.825 V。
4. 作为PEMFCs和ZABs的阴极催化剂时，FeSA−N/TC分别实现了较高的峰值功率密度（H₂−O₂ PEMFC：1100 mW cm⁻²；H₂−空气PEMFC：715 mW cm⁻²；液态ZAB：228 mW cm⁻²；固态ZAB：112 mW cm⁻²），显示出其在实际应用中的可行性与高效性。
Y. Yu, Y. Wang, F. Yang, D. Feng, M. Yang, P.-F. Xie, Y. Zhu, M. Shao, Y. Mei, J.-C. Li, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202415691. https://doi.org/10.1002/anie.202415691.
理解催化材料的结构与性能之间的内在关系既至关重要，又极具挑战性。通过在催化剂中构建孔隙或通道是一种提高催化剂表观性能的有效方法。然而，由于材料和催化剂设计的限制，很难准确确定孔壁内外活性位点的具体位置，导致很难量化这些位置上活性位点的催化活性。尽管如此，合理设计和开发异相催化剂的策略仍然受到评估这些组分活性位点增强程度的困难所阻碍。
鉴于此，中国科学技术大学姜政教授等人在 Angewandte Chemie International Edition 上发表了题为“In/Outside Catalytic Sites of the Pore Walls in One-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Oxygen Reduction Reaction”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在这项研究中，作者采用一维共价有机框架（COFs）并精准锚定活性位点，探讨了孔道对典型的氧还原反应（ORR）催化的影响。
2. 电催化评价结果表明，位于孔道内的单一铂（Pt）位点相比锚定在孔道外的铂位点表现出更高的动力学活性。
3. 原位光谱分析揭示，Pt−Cl键的局部断裂和电位诱导的阴离子传输在孔道内发生得更为有效。
4. 孔道内活性位点的优越阴离子传输能力和动力学活性还促进了氧还原反应过程中的*OH脱附，表现优于孔道外的位点。
5. 本研究的结果为设计多孔催化剂中的活性位点提供了新的策略，有助于提升异相催化反应的性能。
S. Yang, Z. He, X. Li, B. Mei, Y. Huang, Q. Xu, Z. Jiang, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418347. https://doi.org/10.1002/anie.202418347.
发现用于氧还原反应（ORR）的先进电催化剂对于质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的发展至关重要。目前，Pt/C仍是最先进的ORR催化剂，但由于其在催化缓慢的ORR动力学过程中的活性有限，通常需要较高的铂负载量才能提供足够的功率密度。铂资源稀缺且成本不断上升，已促使大量研究致力于减少催化剂中铂的使用量，同时不影响其性能。在过去的十年里，结构有序的铂基间金属化合物（ICs）作为一种有前景的ORR催化剂已得到广泛研究。
鉴于此，华南理工大学崔志明教授在Angewandte Chemie International Edition 上发表了题为 “Machine Learning-Aided Discovery of Low-Pt High Entropy Intermetallic Compounds for Electrochemical Oxygen Reduction Reaction” 的最新研究成果。
本文要点：
1. 在本研究中，作者通过高效的机器学习策略，设计了一种高熵金属间化合物（HEIC，Pt(FeCoNiCu)3）用于催化氧还原反应（ORR）。
2. 其中，作者采用晶体图卷积神经网络（Crystal Graph Convolutional Neural Networks，CGCNN）加速多组分催化剂的设计。基于从第一性原理计算生成的数据集，该模型在表面应变和形成能的预测中取得了高准确度，平均绝对误差分别为0.003 eV/atom和0.011 eV/atom。
3. 此外，作者还提出了两种新的化学特征（原子尺寸差异和混合焓）作为探索先进ORR催化剂的新表征指标。通过冷冻干燥-退火技术成功合成了碳载Pt(FeCoNiCu)3催化剂，且其粒径较小，表现出超高的质量活性（4.09 A mgPt-1）和比活性（7.92 mA cm-2）。
4. 同时，该催化剂还显示出显著增强的电化学稳定性，这归因于HEIC结构中的扩散效应减缓。
5. 除了为燃料电池阴极提供了一种具有潜力的低铂催化剂外，本研究还为理性设计先进的能源存储与转换设备催化剂提供了新的范式。
L. Zhang, X. Zhang, C. Chen, J. Zhang, W. Tan, Z. Xu, Z. Zhong, L. Du, H. Song, S. Liao, Y. Zhu, Z. Zhou, Z. Cui, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202411123. https://doi.org/10.1002/anie.202411123.
碳衬底上的氮配位3d过渡金属（TM3d）原子催化剂（M-N-C，M = Fe、Co、Ni等）因其优异的内在活性、成本效益和最大原子利用率而备受关注。然而，它们容易受到芬顿反应的影响产生•OH和HO2•自由基，并进一步攻击碳载体，加速金属位点的脱离。通过调节TM3d-Nx的局部几何和电子结构（如掺杂异相原子、引入缺陷位）、在TM3d-N4位点周围锚定自由基清除剂（如CeO2纳米颗粒）等，可有效提高TM3d-N-C催化剂的稳定性。然而，几何和电子结构多样性使得这些系统复杂化，增加了理解其稳定性提高潜在原因的难度。因此，构建具有优异内在稳定性的M-N-C催化剂并阐明金属构型与ORR活性之间的关系至关重要。TM4d,5d中外层电子构型的固有稳定性使TM4d,5d-N-C催化剂在理论上表现出优异的长期耐久性。Re-N4结构的结合能明显小于Ru-N4，与Ir-N4结构的结合能相当，这意味着Re-N4配位可能代表具有增强热力学稳定性的最佳金属中心。
鉴于此，郑州大学易莎莎副教授等人在 Energy & Environmental Science 上发表了题为 “Inherent anti-Fenton property of single-atom rhenium for the ultra-durable oxygen reduction reaction” 的最新研究成果。
本文要点：
1. 在本文中，作者通过金属-有机框架限域策略开发了Re-SAC单原子催化剂，表现出优异的长期稳定性和ORR活性。
2. 此外，源自Re-SAC的ZAB阴极表现出优异的性能。Re-SAC优异ORR活性归因于中间体在Re-N4构型的Re位点上适当的吸附能，从而降低了关键反应步骤的势能。
3. 优异的长期耐用性源于Re-N4结构固有的耐芬顿特性和Re外层电子的稳定性，有效地阻止了从H2O2生成•OH和HO2•自由基，从而有效抑制了Re的浸出和芬顿反应性。
4. 本研究为设计性能优异的Re基电催化材料提供了有价值的参考。
Xin-Zheng Yue et al. Inherent anti-Fenton property of single-atom rhenium for the ultra-durable oxygen reduction reaction. Energy Environ. Sci., 2024,17, 5892-5900.
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