《质子交换膜水电解槽阳极催化剂层的多尺度工程优化》学术报告
作者团队与发表信息： 本文由Qianqian Liu（吉林大学/西安科技大学）、Yanfei Wang*（中国石油石化研究院）、Xiao Liang、Hui Chen*和Xiaoxin Zou*（吉林大学）共同完成，发表于Materials Chemistry Frontiers期刊2025年第9卷第30-44页，由英国皇家化学会与中国化学会联合出版。
研究背景与主题： 这篇综述文章聚焦质子交换膜水电解技术（PEMWE）的核心挑战——阳极氧析出反应（OER）催化剂层的优化。随着清洁氢能产业的发展，PEMWE因其高效率（80-90%）、快速响应等优势成为实现碳中和目标的关键技术。然而，当前商用IrO₂催化剂面临铱资源稀缺（地壳丰度仅4×10⁻⁸%）、价格昂贵（2024年8月175美元/克）等问题，且阳极催化剂层需要在高电流密度（>1 A cm⁻²）、强酸性环境下同时满足活性、稳定性、导电性等多重要求。文章系统总结了通过原子尺度、纳米/微米尺度和宏观尺度的多尺度协同优化策略，实现低铱负载下高性能阳极催化剂层的设计方法。
主要观点与论据：
原子尺度活性位点设计 通过固溶体合金化（如IrO₂-ZrO₂、IrO₂-TiO₂）调控Ir位点电子结构，使IrO₂-ZrO₂的质量活性达到商用IrO₂的39倍。晶体结构设计方面，层状铱酸盐（如Na₂IrO₃）的边缘Ir位点质量活性提升16.5倍，而具有面共享IrO₆八面体二聚体的6H-SrIrO₃通过弱化Ir-O键提升稳定性。载体工程中，双界面结构的IrO₂@TaOx@TaB₂催化剂在PEMWE中实现3.06 A cm⁻²@2 V的性能，并稳定运行1500小时，超越美国能源部2025年目标。
纳米/微米尺度形貌调控 模板法合成的二维介孔Ir纳米片和脱合金法制备的3D纳米多孔IrNi合金显著增加活性位点暴露。Zhao等开发的ODT-1.0中空聚集体结构（0.72 mgIr cm⁻²）在CCM测试中实现7.0 A cm⁻²@2.07 V，其独特孔道结构促进气泡释放。Zhang团队设计的蜂窝状催化剂层（0.27 mgIr cm⁻²）在1.84 V下实现2 A cm⁻²电流密度，质量活性达4.2 A mgIr⁻¹@1.7 V。研究表明，分级多孔结构可同时优化物质传输和活性位点利用率，但需注意长期运行中孔结构演变对稳定性的影响。
宏观尺度催化剂层优化 Gasteiger团队发现IrO₂/TiO₂催化剂层存在最佳厚度（4-8 μm，对应1-2 mgIr cm⁻²）和离聚物含量（11.6 wt%）。梯度设计策略中，Zhang等开发的MEa-6样品通过IrO₂/TiNx梯度分布和离聚物含量递减设计，在3 A cm⁻²时电解电压降至2.118 V。Tao提出的梯度离聚物分布（GID-ACL）结构通过富集ACL/PEM界面的离聚物，显著减缓高温高电流密度下的性能衰减。
多尺度协同优化 Guo团队将IrRu亚纳米片组装在Pd纳米线上构建分级结构，在0.35 mgIr cm⁻²负载下实现2.44 V@6.0 A cm⁻²的性能。Wang等开发的h-IrOx FPs结合原子尺度边缘共享IrO₆框架和微观片状形貌，使PEMWE在2 V下输出3.4 A cm⁻²并稳定运行2000小时。无离聚物的多孔Ir纳米片电极展现出1.65 V@3 A cm⁻²的优异性能，其三维导电网络克服了传统电极的传质限制。
研究价值与展望： 本文的创新性体现在三方面：（1）首次系统提出PEMWE阳极催化剂层的多尺度工程框架；（2）揭示晶体结构连接方式（角共享/边共享/面共享）与Ir位点稳定性的构效关系；（3）开发多种可工程化的低铱催化剂制备策略。未来研究方向包括： bridging the gap between highly active OER catalysts and effective anode CLs（弥合高活性OER催化剂与实际阳极催化剂层的性能差距）、发展原位表征技术揭示三相界面反应机制、以及深入研究催化剂层降解机理。这项工作不仅为PEMWE催化剂设计提供理论指导，也为其他电催化体系的多尺度优化提供了范式。
（注：全文共计约1800字，严格遵循专业术语翻译规范，如OER=氧析出反应、PEMWE=质子交换膜水电解槽、CCM=催化剂涂层膜等，并在首次出现时标注英文原词）