近日，红宝石官方网站hbs123陈鑫教授课题组与中国科学技术大学刘庆华、周婉琳研究员团队开展联合研究，在动态双中心耦合协同催化高效氧还原方面取得重要进展。该研究提出了一种由精确设计的PdRh-Pt纳米片二元组分界面实现的动态双中心协同（DCCS）催化机制，突破了传统催化的动力学瓶颈。通过分子层面调控反应路径，建立了突破多相催化动力学权衡的新设计原则，为高效催化体系与能源技术开发提供了新思路。相关研究成果以“Dynamically Dual-Center Coupled Synergistic Catalysis for Highly Efficient Oxygen Reduction”为题，发表在国际顶尖化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》（Angew. Chem. Int. Ed）上。文章通讯作者为红宝石官方网站hbs123陈鑫教授、中国科学技术大学刘庆华和周婉琳研究员。红宝石官方网站hbs123为共同通讯作者单位。

氧还原反应（ORR）面临显著动力学挑战。其固有动力学限制源于*OOH中间体竞争性吸附及向4e⁻主路径或2e⁻过氧化物副产物的分歧转化。传统单组分催化剂缺乏控制，无法同步加速O-O键断裂并抑制*H₂O₂解吸。当代电催化剂设计受限于Sabatier原理，致4e⁻路径受限且H₂O₂副产物难除，整体周转频率（TOF）提升受阻。传统催化调控策略聚焦单活性位点动力学加速，对整体速率提升有限。多中心反应坐标工程虽具潜力，但吸附物种位点间转移因自由能垒和*H₂O₂扩散阻力难以实现。此外，在原子尺度借助先进原位表征技术监测催化过程动态行为以揭示中间体演化与性能提升机制，亦是重大挑战。

图1 动态双中心耦合协同（DCCS）催化高效ORR的概念示意图

图1构建了DCCS催化系统，应用于Pt单原子修饰的PdRh单层催化剂（PdRh-Pt/C），突破ORR标度限制。该系统通过建立高效4e⁻双通道并大幅减少H₂O₂副产物实现。原位表征与DFT模拟表明：Pt单原子d带中心降低，优化PdRh位点对中间体的吸附与转化；同时，Pt位点产生的*H₂O₂在电荷梯度驱动下迁移至邻近PdRh中心被还原。该机制实现了近完全氧还原。所得催化剂在0.85 V vs. RHE（碱性）下质量活性(0.7943 A mg⁻¹metal)和TOF(799.6 h⁻¹)，分别为商业Pt/C的11倍和6倍。其在锌-空气电池中功率密度(113.5 mW cm⁻²)和耐久性(200小时)远超Pt/C+IrO₂(76.3 mW cm⁻², 30小时)，为高效ORR催化剂设计提供了新思路。

图2  DFT和SR-FTIR分析ORR机理

图2为验证反应机理，采用高灵敏度的原位SR-FTIR技术检测反应中间体。如图2d所示，PdRh-Pt/C催化剂在864 cm⁻¹和1036 cm⁻¹处出现吸收峰，分别对应*O和*OOH中间体。PdRh/C催化剂虽呈现相似谱峰，但强度显著降低，表明其反应动力学较慢。值得注意的是，PdRh-Pt/C在1493 cm⁻¹处出现新吸收峰，归属于*H₂O₂中间体（图2e），这与DFT计算推测的机理一致。而PdRh/C仅在ORR低电位区（<0.8 V）吸附*H₂O₂，导致该物种扩散受限并在活性位点累积。研究证实，PdRh载体与掺杂Pt位点的协同作用，有效解决了Pd基纳米结构固有的4e⁻反应动力学受限问题。

图3 PdRh-Pt/C的ORR性能

图3采用三电极系统结合旋转环盘电极，评估PdRh-Pt/C及其对照样品的氧还原反应（ORR）性能。结果显示，PdRh-Pt/C在O₂饱和的0.1 M KOH 中展现出明显的CV还原峰，其半波电位（0.905 V vs. RHE）和极限电流密度（7.12 mA・cm⁻²）优于PdRh/C 和 Pt/C。该催化剂 Tafel 斜率低至 61.4 mV dec⁻¹，0.85 V 时动力学电流密度达 35.9 mA・cm⁻²，MA和TOF分别为0.7943 A mg⁻¹ 和 799.6 h⁻¹，均显著高于对照。RRDE证实其接近4e⁻反应路径，H₂O₂产率 < 0.1%。酸性和中性条件下性能依旧优异。原位电化学阻抗表明其电荷转移电阻小、反应动力学快，这源于Pt单原子与PdRh超薄纳米片的协同作用。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202510188