質子交換膜燃料電池（PEMFC）被譽為“氫氣的充電寶”，具有高效率、快啟動、零排放等優勢，在交通、便攜式電源和固定式發電等領域具有應用潛力。近日，中國科學院過程工程研究所王丹、張鎖江團隊等合作，基于納米級中空多殼層結構（HoMS），創新性開發出“高曲率內殼層活化位點+帶負電外殼層防護促脫”的曲面單原子鐵催化劑（CS Fe/N-C），構建出獨特的“外護內催”微環境。實驗結果表明，CS Fe/N-C可在PEMFC中替代鉑等貴金屬催化劑，并具備優異的輸出性能與長期穩定性。

　　目前，PEMFC的催化劑多為鉑（Pt）等貴金屬，儲量有限、價格高昂，嚴重制約了PEMFC的規?；a。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，但其活性位點對含氧中間體結合過強，限制了反應動力學；Fe在H2O2與·OH等活性氧環境中易發生Fenton反應，導致脫金屬和性能衰退。此外，現有Fe/N-C多以堆疊石墨烯或塊體碳為載體，活性位點暴露受限，影響了Fe/N-C材料的市場化應用。

　　面對上述難題，研發團隊創新性地設計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，約有五個殼層。Fe單原子主要分散于內殼層，面密度高達1.6? No. nm-2，97.6%位于內部四個橢球面殼層上。同步輻射XAS表明，內殼層Fe原子價態接近+2，配位構型為FeN4C10；穆斯堡爾譜進一步揭示其以高活性的低自旋態D1為主，占比達57.9%。理論計算顯示，單純提升Fe-N4位點曲率反而會增強中間體結合強度，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，外層氮原子對內層吸附中間體的氧原子產生顯著靜電排斥（0.63–1.55 eV），有效削弱結合強度，打破了ΔG*OH、ΔG*O與ΔG*OOH間的線性關系，促使催化性能大幅提升。該策略使得CS Fe/N-C的過電位顯著降至0.34 V（優于平面結構的0.61 V），并有效抑制了2e‐路徑（H2O2）的生成，提升了反應選擇性與穩定性。在5 cm2單電池測試中，該催化劑展現出目前報道的最優綜合性能：在1.0 bar H2-air條件下，峰值功率密度達0.75 W cm-2；經303小時恒壓運行后，仍保持86%的初始電流。

　　該研究構建了可疊加、模塊化的單原子催化劑設計思路，通過“內層催化位點+外層防護促脫”協同優化吸附-反應-促脫防護三要素，使非貴金屬催化劑在PEMFC中具有優異性能，為未來高性能燃料電池催化劑設計提供了新范式。

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

CS Fe/N-C的構建