类型b：学术报告

作者及机构
本文由Hao Yang Lin、Zhen Xin Lou、Yeliang Ding、Xiaoxia Li、Fangxin Mao、Hai Yang Yuan、Peng Fei Liu*和Hua Gui Yang*共同撰写。其中，Lin、Lou、Mao、Yuan、Liu和Yang来自华东理工大学材料科学与工程学院超细材料教育部重点实验室；Ding和Li来自中国广核新能源控股有限公司。论文发表于《Small Methods》期刊，2022年出版，DOI号为10.1002/smtd.202201130。

主题
本文是一篇综述性论文，聚焦于质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解槽中析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）电催化剂的稳定性挑战。文章系统分析了酸性OER催化剂失活的根源，总结了提升稳定性的策略，并探讨了未来研究方向。

主要观点及论据

1. 酸性OER催化剂的稳定性挑战
   在PEM电解槽的苛刻运行条件下（如高电流密度、高过电位、高温高压），阳极OER催化剂面临强氧化电位和局部酸性环境的双重挑战。与碱性电解槽相比，PEM电解槽的催化剂更易发生溶解和结构坍塌。例如，RuO₂虽然活性高，但因Ru-O键的强共价性易通过晶格氧机制（Lattice Oxygen Mechanism, LOM）路径发生氧空位不可逆积累，导致表面非晶化甚至相分离。目前仅有高载量的IrO₂催化剂能满足工业应用的长寿命需求。

2. 稳定性分析：内因与外因

   • 内因：催化剂的本征失活机制包括表面重构、活性位点溶解和晶格氧流失。例如，通过第一性原理计算发现，RuO₂在OER过程中会形成瞬态稳态的RuO₂OH中间体，虽能提升活性但加速了Ru的溶解。
     
   • 外因：电极组件（如基底电极钝化、催化剂层剥离）和运行条件（如高电流密度下的气泡阻塞）会加剧失活。例如，碳基底在高压下易氧化，导致接触电阻增加；而钛基底则因TiO₂绝缘层的形成而劣化。
     

3. 提升稳定性的理性设计策略

   • 掺杂与溶出：通过引入W、Er等元素调控RuO₂的电子结构，可提高氧空位形成能（如W₀.₂Er₀.₁Ru₀.₇O₂-δ在10 mA cm⁻²下稳定运行500小时）。选择性溶出（如Mn从RuMn合金中溶出）可形成保护性RuOx层。
     
   • 载体效应：酸性稳定的载体（如MnO₂、WO₃）能锚定活性位点。例如，Ir单原子分散在γ-MnO₂上（Ir-MnO₂）通过局部Ir-O键强化实现650小时稳定性。
     
   • 配位环境调控：通过调控活性位点的配位结构（如Ru-N₄、Ir-N₄）可优化电子转移路径。例如，Ru/Co-N-C双位点催化剂在PEM电解槽中实现330小时@450 mA cm⁻²的稳定运行。
     
   • 应变与晶相工程：晶格应变（如压缩应变缩短Ru-Ru距离）可抑制LOM路径；而3R相IrO₂比常规金红石相具有更高的本征稳定性。
     

4. 原位表征技术的应用
   文章强调了原位/工况表征技术（如XAS、Raman）对揭示OER动态过程的重要性。例如，通过原位光谱观察到Ir-N₄位点在反应前会预形成O-Ir-N₄结构，从而降低驱动电压并抑制过氧化。

5. 工业应用的挑战与展望
   当前大多数实验室研发的催化剂仅在三电极体系中测试，与PEM电解槽的实际工况（如高电流密度、局部pH效应）存在差距。例如，仅有少数非贵金属催化剂（如Mn₇.₅O₁₀Br₃）能在PEM中验证可行性。未来需关注催化剂与膜电极组件（MEA）的协同优化，并开发适用于工业规模（如4–6 A cm⁻²）的长寿命材料。

论文的价值与意义
本文系统总结了酸性OER催化剂失活的物理化学机制，提出了多维度的稳定性提升策略，为设计高效、耐用的PEM电解槽催化剂提供了理论指导。其科学价值在于揭示了活性-稳定性的权衡关系，如通过调控LOM与吸附质演化机制（Adsorbate Evolution Mechanism, AEM）的竞争路径可实现性能优化；应用价值则体现在推动PEM电解槽的规模化部署，助力绿色氢能经济。

亮点
- 全面梳理了酸性OER催化剂的本征与外在失活机制；
- 提出了“掺杂-载体-配位-应变”多策略协同的设计原则；
- 强调了工业测试条件与实验室研究的差异，为产学研转化指明方向。