质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转换效率高和环境友好等优点,是电动汽车的理想动力源。但燃料电池电动汽车（FCV）的商业化,必须解决基于碳载铂(Pt/C)催化剂FCV的高成本问题。

      在国家自然科学基金,国家"973"重大基础研究计划和国家"863"高技术研究发展计划的支持下,化学化工学院魏子栋教授研究团队(丁炜博士,齐学强博士,陈四国讲师,李莉副教授,杨韬研究员等)与中国科学院化学所万立骏院士研究团队(胡劲松研究员和王栋研究员)共同合作,在开发廉价燃料电池催化剂方面取得重要进展,相关研究成果发表在近期出版的《德国应用化学》上(Angewandte Chemie, 2013, DOI: 10.1002/anie.201303924)。
      自2009年美国科学家在Science杂志报道氮参杂碳纳米管(NC)具有潜在的氧还原(ORR) 催化活性以来,化学家与材料科学家一直在探寻:如何进一步提高NC材料的ORR催化活性,以代替目前燃料电池发动机中的Pt/C催化剂?魏子栋教授和万立骏院士领导的研究团队基于氮参杂石墨烯(NG)材料,在国际上首次通过"NG分子结构—NG电导率—ORR催化活性"的关联,找到了该科学难题的突破点.他们在分子结构模拟的基础上,认识到三种氮参杂NG材料中,吡啶型和吡咯型具有二维平面结构,使NG保持了石墨烯原有的平面共轭大π键结构,具有良好的导电性,因而具有优异的ORR催化活性；而丁基型NG为三维空间不平整结构,破坏了石墨烯原有的二维平面共轭大π键结构,导电性差,因而ORR催化活性低.因此,有效的氮参杂应以吡啶型和吡咯型为主,尽可能减少甚至杜绝丁基型NG的形成.他们巧妙地利用层状材料(LM)的层间限域效应,通过调制LM层间距,在LM层间插入苯胺单体,层间聚合,然后热解的方法,获得平面氮参杂达90%以上的NG材料。其催化ORR的半波电位仅比Pt/C催化剂落后60mV,是传统方法下获得的NG 材料ORR催化活性的54倍,以该材料为正极催化剂的质子交换膜燃料电池的输出功率达580mW/cm2,与Pt/C催化剂的ORR活性处于同一个数量级,为世界领先水平。他们开发的此类新型NG材料已经具备了在燃料电池发动机中完全替代Pt/C催化剂的可能性。LM层间近乎封闭的扁平反应空间不仅克服了传统开放体系下合成的NG以丁基型为主,导电性差,活性低的弊病,而且也克服了开放体系下因掺N效率低而导致合成NG成本高的问题。该研究成果意味着,长期困扰燃料电池实用化的高成本问题将不再是瓶颈问题.该研究的相关技术成果已申报了国家发明专利。