氢燃料电池能够仅以水为副产品驱动汽车、设备和住宅系统，但铂催化剂的成本阻碍了其发展。中国研究人员近期公布了一种突破性铁基催化剂，其性能可媲美铂催化剂，且在效率与耐久性方面表现更优。该催化剂采用"内部活化、外部防护"的巧妙设计，不仅能减少有害副产物，还刷新了性能纪录，有望为更清洁、经济且实用的氢能源技术开辟道路。
然而，近日中国科学家团队为这类燃料电池开发了一种高性能铁基催化剂，有望减少对铂的依赖。这种被描述为“内激活、外保护”的新设计实现了创纪录的效率和长期耐久性。
该研究成果发表于《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其实际应用。一般而言，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）还受到以下因素的制约：与氧中间体的结合过强、反应动力学差、以及在氧化环境（如 H2O2 和 ·OH）中易受芬顿反应影响，导致金属浸出和性能衰减。
为解决这些挑战，由王丹教授（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，其中铁原子高度富集于内层。
该催化剂由分散在二维碳层上的众多纳米 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“内激活、外保护”微环境。该 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，这些内层铁原子主要呈现 +2 氧化态和 FeN4C10 配位结构。穆斯堡尔谱进一步证实，57.9% 的 Fe 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脱附，从而降低催化活性。然而，引入具有铁空位的氮掺杂碳外壳，会在外壳层氮原子与内壳层吸附中间体的氧原子之间产生显著的静电排斥（0.63-1.55 eV）。这种排斥削弱了结合强度，打破了 ΔG*OH、ΔG*O 和 ΔG*OOH 之间的线性标度关系，并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生成，提高了选择性和耐久性。此外，在 1.0 bar H2-空气条件下，其功率密度达到了创纪录的 0.75 W cm-2，且在连续运行超过 300 小时后仍保持 86% 的活性。
这项工作确立了一种用于燃料电池中高活性、高耐久性氧还原催化的新型 CS Fe/N-C 催化剂。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。它为开发下一代电催化剂的高性能催化剂提供了新范式。