質子交換膜燃料電池是一種可直接將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置，是一種高效、溫和的清潔能源技術，在便攜式移動電源和新能源汽車中具有廣泛的應用前景。然而，目前高效且穩定的氧還原催化劑都含有較多的貴金屬鉑，使質子交換膜燃料電池成本居高不下，走進市場“步履維艱”。
日前，中科院院士、清華大學教授李亞棟團隊與中國科學技術大學教授吳宇恩團隊在Chem上發表綜述文章，聚焦如何通過納米工程降低質子交換膜燃料電池催化劑的貴金屬含量，以及通過化學手段提升非貴金屬催化劑的活性和穩定性，並梳理氧還原催化劑目前存在的問題和未來發展方向。
目前，貴金屬鉑的儲量十分有限，價格逐年上漲。根據美國能源局（DOE）發佈的目標，到2020年，鉑用量應降至0.125g/kw以下，長期目標是催化劑用量小於0.05g/kw。因此，如何在保證高活性和穩定性的情況下，降低催化劑中的鉑含量，甚至實現無鉑或其他貴金屬的使用，已成為國內外科學家所要攻克的難題之一。
“對於含鉑催化劑來說，關鍵問題首先是鉑含量低的催化劑合成工藝較為複雜，這會帶來附加成本，且絕大部分含鉑催化劑，都還不能實現DOE 2020年目標。”論文第一作者、中國科學技術大學研究生王瀟乾說。
此外，大部分催化劑的性能都是在室溫的旋轉電極測試中評估，該方法雖然快捷廉價，但測出的性能與燃料電池的最終實際功能相差較大。“我們急需一種新型的、更加接近真實燃料電池運行條件的評估催化劑的測試手段。”王瀟乾說。
而非貴金屬催化劑最大的問題則在於酸的耐受性。這是因為質子交換膜燃料電池是在酸性環境下運行的，目前也只有少量催化劑能在酸性條件下達到和商業Pt/C接近的水準。
研究人員分析了納米非貴金屬催化劑和單原子催化劑，前者目前難以在酸性條件下表現出足夠高的活性和穩定性，原因在於，在酸性和高電位的共同作用下，鐵、鈷、鎳和銅等非貴金屬易被氧化，造成催化劑失活；而後者，如（Fe，Co）/N-C催化劑可在酸性環境中較長時間保持活性，但背後機制尚不清楚。
李亞棟和吳宇恩團隊在單原子非金屬催化劑領域有著多年的研究積累。未來，隨著更多大比表面積載體的開發和對載體與金屬之間相互作用的逐步理解，有望實現高負載的單原子催化劑。另外，明確電催化氧還原反應在原子層面上的反應機理，探究催化活性和催化劑結構之間的“構效關係”，以及尋找實現單原子催化劑大規模製備的技術手段等也是未來的研究方向。