质子交换膜燃料电池（PEMFC）被誉为“氢气的充电宝”，具有高效率、快启动、零排放等优势，在交通、便携式电源和固定式发电等领域具有应用潜力。近日，中国科学院过程工程研究所王丹、张锁江团队等合作，基于纳米级中空多壳层结构（HoMS），创新性开发出“高曲率内壳层活化位点+带负电外壳层防护促脱”的曲面单原子铁催化剂（CS Fe/N-C），构建出独特的“外护内催”微环境。实验结果表明，CS Fe/N-C可在PEMFC中替代铂等贵金属催化剂，并具备优异的输出性能与长期稳定性。
目前，PEMFC的催化剂多为铂（Pt）等贵金属，储量有限、价格高昂，严重制约了PEMFC的规模化生产。铁/氮-碳（Fe/N-C）材料因成本低、活性较高，被视为PEMFC中贵金属催化剂的有力替代者，但其活性位点对含氧中间体结合过强，限制了反应动力学；Fe在H2O2与·OH等活性氧环境中易发生Fenton反应，导致脱金属和性能衰退。此外，现有Fe/N-C多以堆叠石墨烯或块体碳为载体，活性位点暴露受限，影响了Fe/N-C材料的市场化应用。
面对上述难题，研发团队创新性地设计合成了二维碳层上具有大量纳米Fe/N-C HoMS的三维催化剂CS Fe/N-C。该纳米Fe/N-C HoMS直径约10 nm，高约4 nm，约有五个壳层。Fe单原子主要分散于内壳层，面密度高达1.6 No. nm-2，97.6%位于内部四个椭球面壳层上。同步辐射XAS表明，内壳层Fe原子价态接近+2，配位构型为FeN4C10；穆斯堡尔谱进一步揭示其以高活性的低自旋态D1为主，占比达57.9%。理论计算显示，单纯提升Fe-N4位点曲率反而会增强中间体结合强度，抑制其脱附而降低催化活性；而引入铁原子缺失的氮掺杂碳外层后，外层氮原子对内层吸附中间体的氧原子产生显著静电排斥（0.63–1.55 eV），有效削弱结合强度，打破了ΔG*OH、ΔG*O与ΔG*OOH间的线性关系，促使催化性能大幅提升。该策略使得CS Fe/N-C的过电位显著降至0.34 V（优于平面结构的0.61 V），并有效抑制了2e‐路径（H2O2）的生成，提升了反应选择性与稳定性。在5 cm2单电池测试中，该催化剂展现出目前报道的最优综合性能：在1.0 bar H2-air条件下，峰值功率密度达0.75 W cm-2；经303小时恒压运行后，仍保持86%的初始电流。
该研究构建了可叠加、模块化的单原子催化剂设计思路，通过“内层催化位点+外层防护促脱”协同优化吸附-反应-促脱防护三要素，使非贵金属催化剂在PEMFC中具有优异性能，为未来高性能燃料电池催化剂设计提供了新范式。
相关工作于8月13日发表在《自然》（Nature）上（DOI：10.1038/s41586-025-09364-6）。
CS Fe/N-C的构建
在中国海洋大学建校100周年之际，习近平总书记给中国海洋大学全体师生回信，向全校师生员工、广大校友致以祝贺，强调“加强原创性、引领性海洋科技攻关，努力培养更多胸怀蓝色梦想、堪当时代重任的优秀海洋人才”。 近日，教育部办公厅印发《关于加强市域产教联合体建设的通知》（以下简称《通知》），提出进一步提高市域产教联合体建设水平，丰富建设内涵，确保建设质量。 在总体要求上，《通知》提出，以产业园区为基础，聚焦区域主导产业，坚 11月6日，教育部党组书记、部长怀进鹏调研中国石油大学（北京）、中央财经大学，了解学校服务国家战略、培养拔尖创新人才、科学研究、学科建设、国际交流合作等情况。他强调，高校要瞄准国家重大战略发展需求，提升人才自主 今年以来，该校深入推进“一校一品”建设，以排球运动促进学校“五育”融合发展，通过社团活动、班级联赛等形式，让学生们感受排球运动魅力，培养团队意识和拼搏精神，促进体质健康发展。（中国教育报-中 中国教育报-中国教育新闻网讯（记者 葛仁鑫）近日，四川省教育厅下发《关于确保中小学生每天综合体育活动时间不低于两小时的通知》，严格确保学生体育活动时间、切实加强师资队伍和场地设施建设、广 党的十八大以来，天津市委、市政府深入学习贯彻习近平总书记关于教育的重要论述，全面落实党中央、国务院决策部署和全国教育大会精神，坚守为党育人、为国育才的初心使命，教育强市建设取得积极进展 。本文链接：研究开发出质子交换膜燃料电池铁/氮-碳非贵金属催化剂http://www.sushuapos.com/show-12-1621-0.html
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