在燃料電池領(lǐng)域，目前使用性能相對(duì)穩(wěn)定的金屬鉑作為電極催化劑。然而，鉑的稀缺與昂貴限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。中科院大連化物所包信和院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)造性地給金屬鐵納米催化劑穿上碳納米層“鎧甲”，提高了鐵基催化劑在燃料電池中的穩(wěn)定性和抗中毒能力，為未來(lái)非貴金屬催化劑最終在燃料電池中的應(yīng)用指明了方向。相關(guān)研究成果發(fā)表在2013年第一期《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》特刊上，并被美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)《化學(xué)與工程新聞》評(píng)為亮點(diǎn)文章。

包信和團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研究，將金屬鐵納米粒子限域到具有豆莢狀結(jié)構(gòu)的碳納米管的管腔中。實(shí)驗(yàn)和理論研究證實(shí)，在這一體系中，包裹納米金屬鐵的碳層阻斷了反應(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，以及其他有害組分對(duì)催化劑的毒化，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。研究人員進(jìn)一步對(duì)包裹金屬納米粒子的碳納米管壁進(jìn)行雜原子（如氮原子）摻雜并同時(shí)改變金屬納米粒子組分，制得了氮摻雜碳納米管限域的鐵-鈷納米合金催化新材料，并將其替代傳統(tǒng)的鉑碳催化劑應(yīng)用于燃料電池電極反應(yīng)中，在10ppm的有害成分硫存在時(shí)，電池保持了優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。這相當(dāng)于給容易“受傷”的金屬鐵納米粒子“穿”上了一副由碳納米管制成的“鎧甲”，而鐵原子的活性d電子猶如士兵的雙手一樣可以在“鎧甲”外自由活動(dòng)，完成催化氧分子的還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池在酸性環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，并顯著提高了其在實(shí)際運(yùn)行中的抗中毒能力。