實現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)需要在設(shè)計廉價且耐用的高效質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)催化劑方面取得創(chuàng)新性突破。目前，Pt基催化劑被認為是PEMFC陰極氧還原反應(yīng)(ORR)最有前途的催化劑，但其高成本和有限的儲量阻礙了PEMFC大規(guī)模應(yīng)用。因此，在不影響催化劑活性和耐久性的前提下降低催化劑中Pt的用量是一個迫切需要解決的問題。

最近，有序的PtM合金納米結(jié)構(gòu)(其中M是Ni、Co或Fe等金屬)被用于降低Pt負載，同時增加ORR在酸性介質(zhì)中的催化活性。研究表明，PtM合金納米結(jié)構(gòu)的高性能受d帶中心理論、應(yīng)變效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)的調(diào)節(jié)。盡管在開發(fā)先進的Pt基催化劑以提高Pt的利用率和ORR的質(zhì)量活性方面已經(jīng)取得了巨大的進展，但是一些動力學緩慢問題無法規(guī)避，因此實現(xiàn)高活性和長壽命的PEMFC仍然是一項重大挑戰(zhàn)性。

為了提高低Pt催化劑的性能，鄭州大學張佳楠課題組在Fe_SAs-N-C上構(gòu)建了一種穩(wěn)定的低Pt載量電催化劑(表示為PtFe@Fe_SAs-N-C。利用定向自旋電荷注入效應(yīng)將電荷注入到Pt位點，并通過磁場變化來優(yōu)化PtFe合金納米晶中的雙Fe位點與碳載體上原子分散的FeN₄位點之間的相互作用，從而優(yōu)化中間體吸附行為，提升ORR性能。運算實驗和理論證明，F(xiàn)e dz²軌道的注入電子填充了垂直的Pt dz²軌道，實現(xiàn)了O₂的側(cè)向吸附和解離途徑(直接4e^?途徑)。

此外，Pt dz²軌道和OH*的2p軌道之間產(chǎn)生的σ*鍵加速了OH*的解吸，并有效地抑制了位點阻斷效應(yīng)，從而促進了ORR動力學。這一過程不僅實現(xiàn)了電化學可及性，而且還限制了催化劑的聚集，并延緩了碳載體的腐蝕、金屬脫離和奧斯瓦爾德熟化過程。

性能測試結(jié)果顯示，PtFe@Fe_SAs-N-C催化劑在0.9 V下具有高質(zhì)量活性(0.75 A mg_Pt^-1)，峰值功率密度為1.24 W cm^-2，在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)試驗中顯示出優(yōu)異的額定功率(10.3 W mg_Pt^-1)。

更重要的是，PtFe@Fe_SAs-N-C還顯示出非凡的耐久性，經(jīng)過30000次循環(huán)后仍保留97%的高質(zhì)量活性，在0.8 A cm^-2電流密度處的電壓損失僅為6 mV，并且在0.6 V下連續(xù)運行220小時過程中沒有明顯的電流下降?？偟膩碚f，該項工作通過自旋電子調(diào)控有效提升了低Pt載量催化劑的催化性能，為設(shè)計高效實用的PEMFC陰極材料提供了新的策略。

Spin occupancy regulation of the Pt d-orbital for a robust low-Pt catalyst towards oxygen reduction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-50332-x