近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室博士鄧德會、研究員潘秀蓮、院士包信和等與潔凈能源國家實驗室燃料電池研究部合作，首次完成用鐵替代燃料電池催化劑中貴金屬的實驗。相關研究成果日前在線發表于《德國應用化學》。

據了解，利用氫氣發電是未來先進可持續能源體系發展的重要目標。為了實現這一目標，作為重要能量轉換裝置的質子交換膜燃料電池將會發揮不可替代的作用。然而，該類燃料電池需要大量的貴金屬，如鉑、鈀、釕等作為催化劑，進而影響了其大規模應用。因此，大幅降低燃料電池電極材料中的貴金屬含量，并最終采用地球上豐富的“廉”金屬元素完全替代貴金屬已成為該領域的重大機遇和挑戰。

為此，該研究團隊創造性地將鐵基金屬納米粒子限域到具有豆莢狀結構的碳納米管的管腔中，采用該研究組新近研制成功的深紫外光發射電子顯微鏡，并借助上海光源先進的X射線吸收譜，結合理論計算，首次觀察到金屬鐵的活性d電子通過與組成碳管壁的碳原子相互作用而“穿過”碳管管壁，使富集在碳管外表面的電子直接催化分子氧的還原反應。

該實驗和理論研究進一步證實，在這一體系中，包裹納米金屬鐵的碳壁阻斷了反應氣體與鐵納米粒子的直接接觸，從原理上避免了反應過程中活性金屬鐵納米粒子的深度氧化以及反應氣氛中其他有害組分對催化劑的毒害，從而在根本上解決了納米金屬鐵作為燃料電池陰極催化劑的穩定性難題。

業內專家認為，該項研究不僅為燃料電池催化劑的貴金屬替代研究提供了行之有效的途徑，而且，由此發展出來的概念為在苛刻條件下運行的催化劑的設計和制備開辟了新方向。

以上研究得到了國家自然科學基金委和科技部等相關項目的資助。