氢燃料电池可以为汽车、设备和家庭提供动力，且仅产生水作为副产品——但铂的成本制约了其发展。中国研究人员近期公布了一项突破性铁基催化剂，其性能可与铂媲美，同时提升效率和耐用性。该催化剂采用巧妙的"内激活、外保护"设计，不仅能减少有害副产品，还打破了性能纪录，有望为更清洁、更经济、更实用的氢能源发展铺平道路。
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。这种被称为"内活化、外保护"的新设计实现了创纪录的效率和长期耐久性。
研究结果发表于自然期刊。
传统的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其实际应用。一般而言，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）还受到与氧中间体结合过强、反应动力学差以及在氧化性环境（如H2O2和·OH）中易受芬顿反应影响的困扰，导致金属浸出和性能下降。
为解决这些挑战，由单王教授（现任职深圳大学）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，开发了一种具有独特纳米限域空心多壳层结构（HoMS）的内曲面单原子铁催化剂（CS Fe/N-C）。每个尺寸约为10 nm × 4 nm的纳米空心颗粒由多个壳层组成，其中铁原子高密度富集在内层。
该催化剂由众多分散在二维碳层上的纳米HoMS组成，单铁原子位点主要嵌入纳米HoMS的内曲面。纳米HoMS的外层石墨化碳层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，形成了独特的"内活化、外保护"微环境。该Fe/N-C催化剂提供了性能最佳的非铂基质子交换膜燃料电池之一。
同步辐射X射线吸收光谱显示，这些内部铁原子主要呈现+2氧化态和FeN4C10配位结构。穆斯堡尔谱进一步证实57.9%的铁位点处于具有催化活性的低自旋D1态。
理论计算表明，仅增加曲率会增强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，会在外层的氮原子与内壳上吸附中间体的氧原子之间产生显著的静电斥力（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。
据研究人员称，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。它还抑制了过氧化氢形成，提高了选择性和耐久性。此外，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300小时后仍保持86%的活性。
这项工作建立了一种新型CS Fe/N-C催化剂，用于燃料电池中高活性、高耐久性的氧还原催化。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了·OH生成，从而同时提升了活性和稳定性。这为开发下一代电催化剂的高性能催化剂提供了新范式。