为了提高反应速率，阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）通常在333-353 K的温度范围内运行。然而，较高的工作温度往往会引发阴极氧还原反应（ORR）催化剂的结构坍塌与性能衰退。Pd基金属烯因其高原子利用率和独特的二维结构，被视为极具潜力的高效ORR电催化剂。为进一步提升其催化性能，引入间隙氢原子被认为是增强其本征ORR活性的有效策略之一。遗憾的是，在实际运行条件下，PdHx金属烯难以稳定地保持氢原子的掺杂状态，导致其结构稳定性受限。尽管PdHx金属烯在室温下表现出优异的ORR性能，但其在膜电极组高温运行环境中仍难以维持稳定的催化活性。
近日吉林大学崔小强教授团队通过引入Mn元素，使得间隙氢原子被有效锁定在Pd金属烯晶格中，使得材料在303-353 K温度范围内展现出卓越的碱性ORR性能。具体而言，在303 K温度下，PdMnHx金属烯在0.95 V（vs. RHE）时的质量活性高达1.08 A•mg-1，是商业Pt/C催化剂的28.4倍，并优于大多数已报道的Pd基ORR催化剂。更重要的是，PdMnHx金属烯的质量活性在353 K时进一步提升至1.41 A•mg-1。相比之下，PdHx金属烯在测试温度超过303 K时，质量活性呈持续下降趋势（303 K时为0.33 A•mg-1），并在353 K时降至最低值（0.10 A•mg-1），表明其在高温工作条件下ORR性能迅速衰减。温度依赖的电化学XRD谱图和原位差分电化学质谱（DEMS）分析表明，PdHx金属烯在高温下的失活主要归因于间隙氢原子从Pd晶格中的溢出。DFT计算进一步证明，在PdMnHx金属烯中，由于合金内部存在强电子相互作用，间隙氢原子能够被稳定地限制在晶格内，从而有效保持氢化物特性，并在高温条件下依然展现出优异的ORR性能。该成果近期发表于Nature Communications 上，第一作者为吉林大学博士生邱雨。值得一提的是，该文是崔小强教授团队一个月内第二篇Nat. Commun.。在前一篇文章中，他们通过在Pd金属烯中引入p区单原子和间隙氢原子合成了PdMHx金属烯，p区单原子与间隙氢原子协同嵌入Pd金属烯晶格，有效激发氧气解离机制，显著提升碱性ORR性能（Nat. Commun., 2025, 16, 5262）。
相图及形成焓分析：利用Pd-Mn本征难互溶特性，遵循Miedema逆稳定规则实现Pd氢化物稳定化。DFT计算证实，Pd9Mn1形成焓达2.30 eV，需额外能量输入，与相图特性吻合。关键发现是Pd-Mn合金可强结合H原子（Pd9Mn1H3），其形成焓降至-0.30 eV，热力学稳定性显著提升。
PdMnHx金属烯形貌及结构表征：通过TEM、HAADF-STEM及AFM等手段对PdMnHx金属烯的形貌和结构进行表征。结果表明，该材料呈现出超薄片状结构，并且相较于不含氢原子的对照样品PdMnHx-A，晶格发生了一定程度的膨胀，表明间隙氢原子的引入对其晶体结构产生了显著影响。
PdMnHx金属烯的结构和电子态表征：通过XRD、XPS、同步辐射等谱学手段进一步证实了间隙氢原子的成功掺杂进PdMnHx金属烯晶格中。
催化剂的ORR性能测试：PdMnHx金属烯在室温条件下表现出优异的ORR质量活性和比活性，并在30,000圈循环测试后仍保持出色的电化学稳定性。将其应用于锌空气电池组装中，所获得的器件展现出高于商业Pt/C的起始电位和功率密度，进一步验证了其在实际能量器件中的应用潜力。
温度依赖性反应机理研究：PdMnHx金属烯在303-353 K温度范围内依然保持较高的ORR活性，而相比之下，PdHx/C在温度超过303 K后其催化活性持续衰减。温度依赖的XRD表征及原位DEMS分析结果表明，PdHx在高温下的活性降低主要归因于间隙氢原子从Pd晶格中的逸出过程。
理论计算：采用慢生长法对间隙氢从催化剂迁移至含饱和H2O和O2的电解液过程中能量变化进行采样，结果表明PdMnHx中氢的溶出在动力学上更困难，Mn的引入有效稳定了间隙氢。进一步的COHP分析证实PdMnHx中金属-H反键态在费米能级附近显著少于PdHx，说明Mn的引入增强了金属与氢之间的电子作用，抑制氢的逸出。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Locking interstitial hydrogen atoms in Pd metallenes for efficient oxygen reduction reaction
Yu Qiu, Dongxu Jiao, Hong Huang, Jiandong Wu, Mingming Wang, Tianyi Gao, Xiao Zhao, Xin Ge, Wei Zhang, Weitao Zheng, David J. Singh, Jinchang Fan*, and Xiaoqiang Cui*
Nat. Commun., 2025, 16, 6103, DOI: 10.1038/s41467-025-61524-4
通讯作者介绍
崔小强教授：吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授，吉林省“长白山学者”特聘教授。主要研究方向为能源催化材料，开展绿氢制备等高效催化剂的原子级设计和制备研究。成果连续发表在Nat. Commun.（5）、 Adv. Mater.（3）、J. Am. Chem. Soc.（4）、Angew. Chem. Int. Ed. (3)、Chem、Matter等学科顶级期刊，被多次正面引用。主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题（1项，712万）、国家自然科学基金面上项目（5项）等多个项目。已发表SCI检索论文209篇，SCI他引10000余次，H因子60。授权发明专利37项。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林省第七批拔尖创新人才第三层次。
范锦昌研究员：聚焦二维催化材料的表界面调控及电催化特性研究，包括：（1）新型二维金属烯催化材料的精准构筑；（2）过渡金属氢化物的可控制备及限域策略；（3）电解水制氢和氢氧燃料电池相关的电催化反应。以第一作者和通讯作者（含共同）身份在Nat. Commun. (2篇)，J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（3篇），Matter（2篇）等期刊发表论文19篇，其中3篇ESI高被引和2篇热点论文。授权发明专利5项。主持国家自然科学基金青年项目等。
课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/Cui_Xiaoqiang
