高效稳定的铂单原子催化剂应用于可逆质子传导固体氧化物电池！

   利用可再生能源电解水来提供氢气是一种可持续的绿色转换技术。可逆质子传导固体氧化物电池（R-PSOCs）既可通过电解槽（EC）模式将富余电能转换为燃料中的化学能（H₂等），又可在电力短缺时通过燃料电池（FC）模式释放电能，对于可再生能源的储存和利用提供了新的思路。R-PSOCs具有低的质子迁移能，因此可在中温下（550–700°C）运行，适宜的工作温度可以提供足够的热能来克服催化屏障，提高转化速率；同时工作过程中注入或生成的水是在空气极进行的，因此燃料极中H₂不会被稀释，燃料转化率高且生成的H₂不需要净化过程等。遗憾的是，R-PSOCs空气电极上多质子-电子参与的氧还原反应（P-ORR）和析氧反应（P-OER）反应速率缓慢，严重影响了R-PSOCs的电化学性能。此外，空气中的CO₂和H₂O等酸性气体易与空气极材料发生化学反应，使电极的稳定性下降。因此，开发一种兼具高催化活性和高稳定性的新型空气极材料，对于提高R-PSOCs的性能和寿命，加速其商业化进程具有重要意义。

R-PSOC在电解槽和燃料电池模式下的电极反应机理图。

   最近，单原子催化剂（SAC）在ORR、OER、析氢还原（HER）、CO氧化和C=O氢化或C-H脱氢等各种低温（<300°C）反应中的应用引起了人们的广泛关注。SAC具有高贵金属利用率、高催化活性、精准均匀的活性中心以及可通过调整主体结构改善协调环境等多项优势，但是将SAC引入R-PSOCs却是一个巨大的挑战，这主要是由于R-PSOCs阴极的高温制备和中温运行，易引发Ostwald熟化机制而形成严重的单原子（SAs）迁移和聚集，最终导致催化剂活性衰减。此外，在R-PSOCs中应用SAC还存在许多其他挑战，包括具有安全锚定位点的通用载体设计、通用的金属负载方法创新以及苛刻条件下的金属原子/簇/纳米颗粒转化机制研究。为了实现稳定SAC的合理设计，必须了解和探索金属-载体相互作用（MSI）中的各种化学现象。钙钛矿氧化物（ABO_3+δ）和Ruddlesden-Popper（R-P）氧化物（A_n+1B_nO_3n+1）中的过渡金属离子（TMI）被视为催化中的关键功能成分之一。然而，到目前为止，还没有关于通过SAs来精确调节R-P氧化物表面TMI电子结构和空间构型的报道。

   基于此，课题组博士生李欣雨在陆亚林教授、彭冉冉副教授、韦世强教授的指导下，提出了一种简单、可扩展和广泛适用的方法来制备工业应用中热稳定和高效的单原子催化剂。通过简单的机械混合铂溶液和Pr₄Ni₃O_10+δ（PNO）载体，成功制备了兼具热稳定性和高活性的Pt₁-PNO单原子催化剂。该方法所制备的不同Pt负载量的Pt₁-PNO单原子催化剂，在700°C的空气中处理800小时，或在含10%CO₂或H₂O的空气中处理100小时依旧保持稳定，未发现Pt原子的迁移和团聚；使用1Pt₁-PNO为空气极的电池性能较PNO提高了100%，同时具有长期稳定性；他们还从实验核理论计算的角度，揭示了Pt原子与PNO载体之间存在两种不同的共价金属-载体相互作用（CMSIs），形成了稳定的二配位Pt-O-Ni（2）和四配位Pt-O-Ni（4）功能结构。而且发现由于电子结构、空间形态和配位环境的不同，Pt-O-Ni（4）位点对ORR和OER具有优异的催化活性，而Pt-O-Ni（2）不利于催化反应。

图1. Pt₁-PNO单原子催化剂的制备流程示意图

   这种基于强CMSIs机制的稳定高效SAC定制方法，既可以实现大规模制备，又具备通用性，可扩展到Ru、Pd、Ir和Fe SAC体系。为制备单原子催化剂开辟了一条新路线。相关论文以Highly stable and efficient Pt single-atom catalyst for reversible proton-conducting solid oxide cells为题发表Applied Catalysis B: Environmental 316, 212627 (2022)