Manganese Single-Atom-Engineered TiO2 Enables High-Performance Pt Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

催化作用 质子交换膜燃料电池 化学 铂金 吸附 化学工程 氧化锰 氧化物 纳米颗粒 降级(电信) 工作(物理) 质子 燃料电池 氧气 无机化学 电化学 铂纳米粒子 电极 活动中心 碳纤维 氧还原反应 纳米技术 功率密度 氧化还原
作者
Zewen Zhuang,Jinghong Chen,Yushan Guo,Jingliang Bao,Kaili Wang,Chao Zhang,Zinan Zhang,Xin Tan,Kaian Sun,Wei Yan,Jiujun Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c10619
摘要

Abstract The instability of carbon supports in platinum (Pt)-based catalysts under high potentials severely hinders the long-term performance of the corresponding proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Developing robust oxide supports that can simultaneously stabilize Pt nanoparticles and regulate their intrinsic catalytic properties remains an important challenge. In this work, we report a single-atom engineering strategy to strengthen metal–support interactions and construct a Mn single-atom-modified TiO2-supported Pt catalyst (Pt/Mn1–TiO2) to significantly improve the performance of PEMFCs. The atomically dispersed Mn sites induce pronounced interfacial charge transfer, leading to an optimized electronic structure and a downshifted d-band center of Pt, thereby modulating the adsorption of oxygenated intermediates and enhancing intrinsic oxygen reduction reaction (ORR) activity. Meanwhile, the strengthened interfacial anchoring can effectively suppress Pt oxidation, migration, and agglomeration, resulting in a superior structural stability. As a result, Pt–Mn1/TiO2 exhibits a high half-wave potential of 0.937 V (vs RHE) and significantly enhanced mass/specific activities in acidic media. In a practical H2–O2 fuel cell, it delivers a peak power density of 2.37 W cm–2, outperforming commercial Pt/C, while maintaining minimal performance degradation during long-term operation. This work provides a general strategy for achieving synergistic enhancement of activity and durability in oxide-supported Pt catalysts via single-atom interfacial engineering.
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