本文档是一篇发表在《ChemSusChem》期刊上的综述论文（Review），由韩国科学技术院（KAIST）化学与生物分子工程系的Sun Seo Jeon、Wonjae Lee、Hyeseong Jeon和通讯作者Hyunjoo Lee*共同完成，于2024年11月21日在线发表，DOI编号为10.1002/cssc.202301827。论文系统评述了高性能聚合物电解质膜水电解槽（PEMWE和AEMWE）中膜电极组件（MEA）催化剂的开发进展，特别聚焦于实际MEA性能验证的催化剂设计策略。
质子交换膜水电解槽（PEMWE）的阳极氧析出反应（OER）需使用高活性且耐酸的Ir基催化剂，但Ir的地球储量稀缺且成本高昂。论文指出当前研究通过以下途径降低Ir用量：
- 高活性IrOx设计：如韩国团队开发的非晶态Ir团簇锚定IrO₂纳米针（图2c），在1 A/cm²电流密度下实现1.58 V的低槽电压，且能在3 A/cm²下稳定运行90小时。其高活性源于非晶结构提供更多活性位点，而纳米针基底保障电子传导。
- 金属氧化物载体应用：如Sb掺杂SnO₂（ATO）载体可抑制Ir溶解（通过Ir-O-Sn键稳定界面），但需Ir负载量>60 wt%以维持导电性。Mo掺杂TiO₂载体（Ir/TiO₂-MoOx）在0.5 mgIr/cm²负载下性能优于Ir黑（1.74 V vs 1.79 V）。
- 多金属协同效应：如RuIrFeCoNiO多金属氧化物通过晶界工程提升稳定性（>500小时@1 A/cm²）；Ca掺杂SrIrO₃钙钛矿（Ca-SrIrO₃）通过表面重构形成无序Ir富集层，在0.4 mgIr/cm²负载下实现1.81 V@2 A/cm²。
尽管Ru基催化剂（如SnRuOx）通过抑制晶格氧机制（LOM）在1 A/cm²下达到1.57 V，但其长期稳定性仍不足（需验证>1000小时）。La/Mn共掺杂Co₃O₄纳米纤维虽在半电池中活性超越Ir，但MEA性能较差（图3d），凸显导电性与三相界面设计的瓶颈。
阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）的碱性环境允许使用NiFe基催化剂，但其活性相（γ-NiOOH）需通过电位诱导重构形成：
- 导电性优化：单层NiFe-LDH（m-NiFe-LDH）喷涂于Ni泡沫可减少界面电阻，实现1.69 V@1 A/cm²（图5b）；NiFe纳米线磁控定向排列（图5d）则通过气泡快速释放达成1300小时@2 A/cm²的超稳运行。
- 三元元素掺杂：Cr/NiFe-LDH通过高价态Cr⁶⁺调控电子结构，将活性提升至2.11 V@1 A/cm²；V掺杂CoFeOx尖晶石则加速重构动力学（1.60 V@1 A/cm²）。
- 碳基底风险：NiFe/碳纸电极虽初始性能优异（1.57 V@1 A/cm²），但碳腐蚀导致25小时内快速衰减，而2200℃石墨化碳可缓解此问题（稳定500小时@1 A/cm²）。
无碱液供给时，催化剂-离聚物界面成为反应限速步骤：
- 垂直阵列结构：NiFe-LDH纳米片垂直生长（图6a）可最大化OH⁻传输通道，性能媲美碱性AEMWE（1.76 V@1 A/cm²）。
- Fe溶解问题：动态平衡中Fe物种溶出会引发阴极污染（Fenton反应）和膜降解，故Co₃O₄等无Fe催化剂更受青睐。
碱性氢析出反应（HER）需克服水解离能垒：
- Pt基催化剂：原子级Pt团簇（Pt₅₀/Cr-N₄）通过Cr-N₄位点吸附OH⁻，在50 μgPt/cm²负载下实现1.9 V@1 A/cm²。
- NiMo基催化剂：Mo溶解-再吸附平衡（图8a）导致性能波动，但温和活化（50 mA/cm²预处理6小时）可稳定48小时@1 A/cm²（1.82 V）。
该综述首次系统归纳了MEA实际性能导向的催化剂设计原则，指出：
1. PEMWE核心矛盾：Ir活性-稳定性权衡需通过原子级分散（如Ir/MnO₂中0.08 mgIr/cm²）或载体电子调控解决；
2. AEMWE动态重构机制：NiFe基催化剂的导电性优化比本征活性提升更关键；
3. 标准化测试缺失：建议建立统一的稳定性评价指标（如S-number）和间歇运行协议以贴近可再生能源波动场景。
本文为电解水制氢催化剂从实验室走向工业化提供了明确的研发路线图，尤其对降低贵金属依赖性和理解MEA工况下的真实催化行为具有指导意义。