由于催化过程中活性的低价铁原子*易被过度氧化，使电池电*很快失去催化反应活性，使配位饱和的铁高价氧化物在燃料电池工作的酸性环境下被迅速溶蚀。已有的研究结果表明，具有不饱和配位铁的低价化合物以及金属铁能进行优异的催化氧还原反应。燃料电池中催化氢分子解离的阳*材料都需要大量的贵金属等作为催化剂，以及用于将空气中氧分子高效还原成活性氧原子的阴*材料，成为燃料电池未来大规模应用的一个重要瓶颈。 采用地球上丰富的廉价金属元素完全替代贵金属，大幅度降低燃料电池电*材料中的贵金属含量，已成为重大挑战和机遇。未来先进可持续能源体系发展的重要目标是将氢气直接高效转化为可广泛应用的电能，同时产生对人类生存环境友好的水分子。这一目标的相关研究和开发受到了越来越高度的重视，作为重要能量转换装置的质子交换膜燃料电池将会发挥不可替代的作用。 在这一体系中，在根本上解决了纳米金属铁作为燃料电池阴*催化剂的稳定性难题，对电*材料的催化性能起到明显的调变作用。从原理上避免了反应气氛中有害组分对催化剂的中毒，以及反应过程中活性金属铁纳米粒子的深度氧化，包裹纳米金属铁的碳壁阻断了反应气体与铁纳米粒子的直接接触，进一步改变包裹其中的金属纳米粒子组分和对碳壁进行杂原子掺杂。 我国这些领域的多位知名科学家努力创新合成制备方法，在对碳纳米管限域效应研究取得系列进展的基础上，创造性地将铁基金属纳米粒子限域到具有豆荚状结构的碳纳米管的管腔中，结合理论计算，采用新近研制成功的设备，观察到金属铁通过与碳原子相互作用，直接催化分子氧的还原反应。
