近日，東南大學物理學院王金蘭、凌崇益團隊與中科院過程所、清華大學、香港城市大學等單位合作，在燃料電池催化劑設計方面取得新進展，相關成果以《曲面鐵單原子催化劑的酸性氧還原反應》(Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports)為題發表于Nature。

　　質子交換膜燃料電池被認為是實現碳中和的重要能源技術，但目前其商業化仍受到陰極氧還原反應催化劑的制約。近年來，Fe/N–C單原子催化劑表現出巨大潛力，有望取代傳統鉑基等貴金屬催化劑，卻同時面臨兩個突出問題：一方面，關鍵中間體之間存在“線性標度關系”，難以同時優化，活性受限；另一方面，鐵原子容易在酸性環境中發生脫落，導致催化性能迅速衰退，穩定性不足。因此，如何同時兼顧高活性與高穩定性，是該領域長期亟待解決的科學難題。

　　針對上述挑戰，研究團隊與合作者設計、合成了多層、曲面Fe/N–C單原子催化劑。基于理論計算，團隊外層石墨化碳殼層可產生額外靜電排斥力，有效削弱氧還原反應中間體的結合強度。同時，電荷以及與外殼層距離的不同，會導致不同中間體所受到的排斥作用不同(0.63–1.55eV)，從而打破傳統的“線性標度關系”，理論過電位顯著降至0.34V，催化活性大幅提升。此外，彎曲表面結構能夠改變O-O鍵與O-Fe鍵的相對強度，促進四電子還原途徑，從而有效阻止羥基自由基(OH·)的大量生成，延緩鐵位點的失活,催化穩定性顯著提高。

　　在5cm2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1.0barH2-air條件下，峰值功率密度達0.75Wcm-2；經303小時恒壓運行后，仍保持86%的初始電流。

　　東南大學物理學院凌崇益教授為論文共同第一作者，王金蘭教授為共同通訊作者。該工作東南大學部分受到了國家自然科學基金重點項目和優秀青年科學基金項目的資助。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-025-09364-6