氢燃料电池可驱动汽车、设备和家庭，其唯一副产品仅为水——但铂的成本制约了该技术的发展。中国研究人员近日公布了一种突破性铁基催化剂，其性能可媲美铂催化剂，同时能提升效率和耐久性。通过巧妙的"内激活外防护"设计，该新型催化剂不仅减少了有害副产物，更刷新了性能纪录，有望为更清洁、更经济、更实用的氢能源应用铺平道路。
然而，目前中国科学家团队开发出一种用于此类燃料电池的高性能铁基催化剂，有望减少对铂的依赖。这种采用"内活化-外保护"设计的新型催化剂实现了创纪录的效率和长期耐久性。
研究成果发表于《自然》Nature。
传统Fe/N-C催化剂通常依赖石墨烯或碳载体的外表面，限制了活性位点的暴露并阻碍了实际应用。通常，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）还面临以下问题：与氧中间体结合力过强、反应动力学差、在氧化性环境（如H2O2和·OH）中易受芬顿反应影响，导致金属浸出和性能衰减。
为应对这些挑战，由王丹教授（现任深圳大学）和中国科学院过程工程研究所张锁江教授领导的研究团队，开发出具有独特纳米限域中空多壳层结构（HoMS）的内弯曲表面单原子铁催化剂（CS Fe/N-C）。每个尺寸约10纳米×4纳米的纳米中空颗粒由多层壳组成，铁原子以高密度富集在内层。
该催化剂由分散在二维碳层上的多个纳米HoMS构成，单铁原子位点主要嵌入纳米HoMS的内弯曲表面。纳米HoMS的外层石墨化碳不仅有效削弱了含氧反应中间体的结合强度，还降低了羟基自由基生成速率，形成独特的"内活化-外保护"微环境。这种Fe/N-C催化剂实现了目前性能最佳的无铂族金属PEMFC之一。
同步辐射X射线吸收光谱表明，这些内部铁原子主要呈现+2氧化态及FeN4C10配位结构。穆斯堡尔谱进一步证实57.9%的Fe位点处于具有催化活性的低自旋D1态。
理论计算显示，单纯增加曲率会强化中间体结合并阻碍解吸，从而降低催化活性。然而，引入具有铁空位的氮掺杂碳外壳会在外层氮原子与内壳吸附中间体的氧原子之间产生显著静电斥力（0.63-1.55 eV）。这种斥力削弱了结合强度，打破了ΔG*OH、ΔG*O和ΔG*OOH之间的线性比例关系，显著提升了催化性能。
研究人员指出，该催化剂实现了低至0.34 V的氧还原过电位，远优于平面结构。同时有效抑制了过氧化氢生成，提高了选择性和耐久性。在1.0 bar H2-空气条件下，其功率密度达到创纪录的0.75 W cm-2，连续运行超300小时后仍保持86%的活性。
该研究构建了一种新型CS Fe/N-C催化剂，可实现燃料电池中高活性、持久的氧还原催化。石墨化的外部N-C层有效削弱了含氧中间体的结合强度并抑制·OH生成，从而同时提升活性和稳定性。这为开发新一代电催化剂的高性能催化剂提供了新范式。