氫燃料電池是一種理想的發電裝置，但由于陰極氧還原反應(ORR)的高過電位，氫燃料電池的能量利用率仍遠低于83%。目前，貴金屬，通常是鉑(Pt)，在商業燃料電池中作為ORR的催化劑，但由于貴金屬價格昂貴和稀缺性而不能大規模使用。原子分散催化劑具有最大的原子利用率和最少的催化劑用量，在ORR等電催化反應中具有廣闊的應用前景。
然而，由于Pt在燃料電池中的原子分散性，有效提升功率密度和耐久性仍然是一個巨大的挑戰。同時，線性尺度關系(LSR)給大多數催化劑(包括基準Pt催化劑)帶來了固有的Sabatier限制，導致催化劑具有不可逾越的過電位上限，阻礙了高效電催化劑的發展。
為了克服這種局限性，天津大學鄒吉軍和黃振峰等以不同晶相的富土金屬氧化物為模型材料，通過構建空間相關的Pt-Mn對位點，提出了一種有效的動態反應路徑，實現了高活性與低Pt負載量之間的良好平衡。
實驗和理論計算表明，通過控制Pt-Mn對的金屬間距和電荷分布，可以有效地促進這些位點通過橋構型斷裂O-O鍵，避免*OOH中間體的形成。同時，動態吸附構型由O2的橋式構型轉變為*OH的端接構型，促進了*OH在該金屬對中Mn位的解吸，從而避免了Sabatier的限制。
因此，所制備的Pt-Mn/β-MnO2表現出優異的ORR活性和穩定性，其半波電位(E1/2)為0.93 V，并且在連續電解70 h內幾乎沒有發生活性降解。此外，將該催化劑應用于H2-O2陰離子交換膜燃料電池陰極，該電池在0.6 V電壓下的峰值功率密度達到287 mW cm-2，穩定性達到500 h，優于商業Pt/C催化劑。
總的來說，該項工作揭示了原子對位點與多種反應物/中間體的適應性成鍵相互作用，為合理設計超越Sabatier最佳值的高效原子級分散ORR催化劑提供了指導。
Avoiding Sabatier’s limitation on spatially correlated Pt–Mn atomic pair sites for oxygen electroreduction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c08665
