由于催化過程中活性的低價鐵原子*易被過度氧化，使電池電*很快失去催化反應活性，使配位飽和的鐵高價氧化物在燃料電池工作的酸性環境下被迅速溶蝕。已有的研究結果表明，具有不飽和配位鐵的低價化合物以及金屬鐵能進行優異的催化氧還原反應。燃料電池中催化氫分子解離的陽*材料都需要大量的貴金屬等作為催化劑，以及用于將空氣中氧分子高效還原成活性氧原子的陰*材料，成為燃料電池未來大規模應用的一個重要瓶頸。

采用地球上豐富的廉價金屬元素完全替代貴金屬，大幅度降低燃料電池電*材料中的貴金屬含量，已成為重大挑戰和機遇。未來先進可持續能源體系發展的重要目標是將氫氣直接高效轉化為可廣泛應用的電能，同時產生對人類生存環境友好的水分子。這一目標的相關研究和開發受到了越來越高度的重視，作為重要能量轉換裝置的質子交換膜燃料電池將會發揮不可替代的作用。

在這一體系中，在根本上解決了納米金屬鐵作為燃料電池陰*催化劑的穩定性難題，對電*材料的催化性能起到明顯的調變作用。從原理上避免了反應氣氛中有害組分對催化劑的中毒，以及反應過程中活性金屬鐵納米粒子的深度氧化，包裹納米金屬鐵的碳壁阻斷了反應氣體與鐵納米粒子的直接接觸，進一步改變包裹其中的金屬納米粒子組分和對碳壁進行雜原子摻雜。

我國這些領域的多位知名科學家努力創新合成制備方法，在對碳納米管限域效應研究取得系列進展的基礎上，創造性地將鐵基金屬納米粒子限域到具有豆莢狀結構的碳納米管的管腔中，結合理論計算，采用新近研制成功的設備，觀察到金屬鐵通過與碳原子相互作用，直接催化分子氧的還原反應。