质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。

这种电池利用被称为氧还原的化学反应。这种反应需要一种低成本的催化剂才能广泛用于商业应用。掺氮碳就是这样一种催化剂。

在最近发表在Angewandte Chemie国际版上的一项研究中，筑波大学的研究人员报告了在酸性条件下优化质子交换膜燃料电池中氧还原反应的化学细节。这种结构有助于碳催化剂吸附氧气，从而使燃料电池发挥作用。

在掺氮碳催化剂中，氮可以采用各种键合构型，例如吡啶基。多年来，研究人员一直试图确定哪些键合结构是质子交换膜燃料电池电解活性的来源。

研究人员将7个含氮分子沉积在一种次晶状炭黑催化剂上，制造出具有均相结构的模型催化剂。

硫酸充分酸化了催化剂中的氮原子。在氧饱和条件下施加适当的电压后，催化剂中质子化的氮原子被还原。

密度泛函理论计算还表明，氧吸附促进了完全质子化的氮原子的还原。因此，氧气被吸收到催化剂上，同时，氮原子被还原，用于额外的催化循环。

目前的质子交换膜燃料电池使用铂催化剂。因为铂是一种稀有金属，从长远来看，它不是商业应用的经济选择。此研究的发现将帮助研究人员提高质子交换膜燃料电池碳基催化剂的性能，并提高交通运输业的可持续性。