將氫氣直接高效轉(zhuǎn)化為可廣泛應(yīng)用的電能，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境友好的水分子，是未來(lái)先進(jìn)可持續(xù)能源體系發(fā)展的重要目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，作為重要能量轉(zhuǎn)換裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池將會(huì)發(fā)揮不可替代的作用，相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)受到了越來(lái)越高度的重視。然而，該類(lèi)燃料電池中用于將空氣中氧分子高效還原成活性氧原子的陰極材料，以及催化氫分子解離的陽(yáng)極材料都需要大量的貴金屬，如鉑、鈀、釕等作為催化劑，這成為燃料電池未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要瓶頸。因此，大幅度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(lǐng)域的重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)，相關(guān)研究已在世界范圍內(nèi)形成了激烈競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。

　　已有的研究結(jié)果表明，金屬鐵以及具有不飽和配位鐵的低價(jià)化合物具有優(yōu)異的催化氧還原反應(yīng)(ORR)的特性，然而由于催化過(guò)程中活性的低價(jià)鐵原子極易被過(guò)度氧化，形成的配位飽和的鐵高價(jià)氧化物(Fe2O3)在燃料電池工作的酸性環(huán)境下被迅速溶蝕，從而使電池電極很快失去催化反應(yīng)活性。

　　中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧德會(huì)博士、潘秀蓮研究員、包信和院士等與潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室燃料電池研究部合作，在對(duì)碳納米管限域效應(yīng)研究取得系列進(jìn)展的基礎(chǔ)上，努力創(chuàng)新合成制備方法，創(chuàng)造性地將鐵基金屬納米粒子限域到具有豆莢狀結(jié)構(gòu)(Bean-Pod-Like)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(fā)射電子顯微鏡(DU-PEEM)，并借助上海光源先進(jìn)的X-射線(xiàn)吸收譜(XAS)，結(jié)合理論計(jì)算，首次觀(guān)察到金屬鐵的活性d電子通過(guò)與組成碳管壁的碳原子相互作用而“穿過(guò)”(Penetrating)碳管管壁，富集在碳管外表面的電子直接催化分子氧的還原反應(yīng)(ORR)。

　　實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)一步證實(shí)，在這一體系中，包裹納米金屬鐵的碳壁阻斷了反應(yīng)氣體與鐵納米粒子的直接接觸，從原理上避免了反應(yīng)過(guò)程中活性金屬鐵納米粒子的深度氧化，以及反應(yīng)氣氛中其它有害組分對(duì)催化劑的中毒，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(wěn)定性難題。進(jìn)一步對(duì)包裹金屬納米粒子的碳壁進(jìn)行雜原子(如氮原子)摻雜和改變包裹其中的金屬納米粒子組分，對(duì)電極材料的催化性能起到明顯的調(diào)變作用。當(dāng)碳納米管管壁氮摻雜濃度為3.3 wt%，包裹Fe-Co納米合金時(shí)，在完全相同的操作條件下，電池的功率密度可以達(dá)到以20%Pt-C催化劑的60%。特別是，在10 ppm的有害成分硫(SO2)存在時(shí)，電池仍保持了優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。這一結(jié)果近期被《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》在線(xiàn)發(fā)表。

　　該項(xiàng)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(fā)展出來(lái)到有關(guān)為催化劑“穿鎧甲”(Chainmail for catalyst)的概念對(duì)未來(lái)在苛刻條件下運(yùn)行的催化劑的設(shè)計(jì)和制備開(kāi)辟了新的方向。該論文已被挑選作為重要進(jìn)展，將在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》為慶祝刊物創(chuàng)辦125周年將于2013年第一期編發(fā)的特刊上正式發(fā)表。

　　以上研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部等相關(guān)項(xiàng)目的資助。