質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）被譽(yù)為“氫氣的充電寶”，具有高效率、快啟動(dòng)、零排放等優(yōu)勢(shì)，在交通、便攜式電源和固定式發(fā)電等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所王丹、張鎖江團(tuán)隊(duì)等合作，基于納米級(jí)中空多殼層結(jié)構(gòu)（HoMS），創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)出“高曲率內(nèi)殼層活化位點(diǎn)+帶負(fù)電外殼層防護(hù)促脫”的曲面單原子鐵催化劑（CS Fe/N-C），構(gòu)建出獨(dú)特的“外護(hù)內(nèi)催”微環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CS Fe/N-C可在PEMFC中替代鉑等貴金屬催化劑，并具備優(yōu)異的輸出性能與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

目前，PEMFC的催化劑多為鉑（Pt）等貴金屬，儲(chǔ)量有限、價(jià)格高昂，嚴(yán)重制約了PEMFC的規(guī)?；a(chǎn)。鐵/氮-碳（Fe/N-C）材料因成本低、活性較高，被視為PEMFC中貴金屬催化劑的有力替代者，但其活性位點(diǎn)對(duì)含氧中間體結(jié)合過(guò)強(qiáng)，限制了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；Fe在H2O2與·OH等活性氧環(huán)境中易發(fā)生Fenton反應(yīng)，導(dǎo)致脫金屬和性能衰退。此外，現(xiàn)有Fe/N-C多以堆疊石墨烯或塊體碳為載體，活性位點(diǎn)暴露受限，影響了Fe/N-C材料的市場(chǎng)化應(yīng)用。

面對(duì)上述難題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)合成了二維碳層上具有大量納米Fe/N-C HoMS的三維催化劑CS Fe/N-C。該納米Fe/N-C HoMS直徑約10?nm，高約4?nm，約有五個(gè)殼層。Fe單原子主要分散于內(nèi)殼層，面密度高達(dá)1.6? No. nm-2，97.6%位于內(nèi)部四個(gè)橢球面殼層上。同步輻射XAS表明，內(nèi)殼層Fe原子價(jià)態(tài)接近+2，配位構(gòu)型為FeN4C10；穆斯堡爾譜進(jìn)一步揭示其以高活性的低自旋態(tài)D1為主，占比達(dá)57.9%。理論計(jì)算顯示，單純提升Fe-N4位點(diǎn)曲率反而會(huì)增強(qiáng)中間體結(jié)合強(qiáng)度，抑制其脫附而降低催化活性；而引入鐵原子缺失的氮摻雜碳外層后，外層氮原子對(duì)內(nèi)層吸附中間體的氧原子產(chǎn)生顯著靜電排斥（0.63–1.55 eV），有效削弱結(jié)合強(qiáng)度，打破了ΔG*OH、ΔG*O與ΔG*OOH間的線(xiàn)性關(guān)系，促使催化性能大幅提升。該策略使得CS Fe/N-C的過(guò)電位顯著降至0.34 V（優(yōu)于平面結(jié)構(gòu)的0.61 V），并有效抑制了2e‐路徑（H2O2）的生成，提升了反應(yīng)選擇性與穩(wěn)定性。在5 cm2單電池測(cè)試中，該催化劑展現(xiàn)出目前報(bào)道的最優(yōu)綜合性能：在1.0 bar H2-air條件下，峰值功率密度達(dá)0.75 W cm-2；經(jīng)303小時(shí)恒壓運(yùn)行后，仍保持86%的初始電流。

該研究構(gòu)建了可疊加、模塊化的單原子催化劑設(shè)計(jì)思路，通過(guò)“內(nèi)層催化位點(diǎn)+外層防護(hù)促脫”協(xié)同優(yōu)化吸附-反應(yīng)-促脫防護(hù)三要素，使非貴金屬催化劑在PEMFC中具有優(yōu)異性能，為未來(lái)高性能燃料電池催化劑設(shè)計(jì)提供了新范式。

相關(guān)工作于8月13日發(fā)表在《自然》（Nature）上（DOI：10.1038/s41586-025-09364-6）。

CS Fe/N-C的構(gòu)建