质子交换膜燃料电池(PEMFCs)为解决全球可再生能源供应和清洁环境问题提供了一种有效的方案。目前质子交换膜燃料电池大规模商业化的主要障碍是缓慢的氧还原反应(ORR)，这大大增加了催化剂的成本。开发具有更高的性能和更低的成本的ORR电催化剂是一项较大的挑战。合金纳米材料表现出增强的Pt性能，特别是PtNi合金。特别是，在脱合金Pt纳米材料中观察到性能有了极大的改善。Huang等发现，采用5 nm Ni7Pt3纳米线（NW）脱金属可以产生2 nm Pt锯齿状NW（J-PtNW），其ORR性能是当前最先进的Pt/C的50倍。尽管有人提出了一些解释，例如表面Pt原子配位不足，机械应变和较高的电化学活性表面积（ECSA）有助于显着提高ORR活性，但目前有关表面上哪种活性位点提高了ORR性能仍没有明确的原子解释。

有鉴于此，美国加州理工学院William A. Goddard III教授等人，利用多尺度原子模拟，进一步从原子学的角度解释了这种显著提高的ORR活性，并描述了活动位点的原子特征。

本文要点

1）从10000多个表面活性位点中随机选择500个，并对表面活性位点8Å内的簇进行了量子力学（QM）计算。发现反应O_ads + H₂O_ads→ 2OH_ads，是Pt(111)上的速率决定步骤（RDS）。

2）OO距离（O_ads与H₂O_ads的O之间的距离）与RDS反应的自由能垒之间有很强的相关性。实际上，Pt（111）的0.29 eV相比，采集的500个表面位点中有14.4％的活性位点在室温下对RDS反应无能垒，从而提高了反应速率。原因是许多表面位点的凹入性质将H₂O_ads的OH键推向其附近的O_ads，从而大大降低了能垒。

3）基于所有表面位点的OO距离对反应速率进行建模，并对整个J-PtNW的性能进行了评估。

总之，该工作提出的活性位点的原子结构为设计ORR高性能电催化剂提供了指导。

参考文献：

Yalu Chen et al. Atomistic Explanation of the Dramatically Improved Oxygen Reduction Reaction of Jagged Platinum Nanowires, 50 times better than Pt. J. Am. Chem. Soc., 2020.

DOI: 10.1021/jacs.9b13218

https://doi.org/10.1021/jacs.9b13218