类型b：学术综述报告

作者及机构
本文由扬州大学化学化工学院的Chunyan Wang和Ligang Feng*共同撰写，发表于2024年的《Energy Advances》期刊（第3卷，第14-29页）。Ligang Feng教授是通讯作者，其研究领域聚焦于燃料电池和水分解等领域的新型催化剂开发。

主题概述
这篇综述文章系统总结了质子交换膜水电解（Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, PEMWE）技术中铱（Ir）基阳极催化剂的最新研究进展与未来挑战。PEMWE是一种高效、可持续的制氢技术，尤其适合与间歇性可再生能源（如风能、太阳能）耦合应用。然而，其阳极的析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）因强酸性环境和高氧化电位对催化剂的活性和稳定性提出了严苛要求，而铱基材料因其平衡活性和稳定性的能力成为当前研究核心。

主要观点与论据

1. PEMWE的工作原理与关键组件
   PEMWE的核心组件包括质子交换膜（PEM）、催化剂层（阳极/阴极）、气体扩散层（GDL）和双极板（BPs）。其中，膜电极组件（MEA）是决定电解效率的核心，占电解槽成本的24%。作者详细分析了各组件功能：PEM需具备高质子传导性和化学稳定性；阳极催化剂需耐受酸性腐蚀；GDL和BPs因需使用钛基材料或贵金属镀层，成本占比高达68%。研究强调，降低Ir负载量并提升催化剂活性是推动PEMWE商业化的关键。

2. Ir基催化剂的分类与进展
   文章将Ir基催化剂分为四类，并分别阐述其设计策略与性能优化：

   • 单金属Ir催化剂：通过纳米结构调控（如超细纳米颗粒、纳米簇）增加活性位点。例如，1.6 nm的Ir纳米颗粒（uf-Ir/IrOx）在PEMWE中可实现1.7 V@100 mA/cm²的电压，且稳定运行400小时。
     
   • Ir基合金催化剂：通过引入Ru或过渡金属（如Ni、Co）调节电子结构。IrRu/TiC催化剂因表面富Ir壳层保护Ru核心溶解，在1.48 V下实现1 A/cm²的电流密度，成本仅为3.3美元。
     
   • Ir基氧化物催化剂：非晶态IrOx比晶态IrO₂活性更高。例如，短程有序的IrOx·nH₂O因晶格水参与氧交换，在PEMWE中稳定运行600小时（1.77 V@1 A/cm²）。
     
   • 负载型Ir催化剂：通过高导电性载体（如TiO₂、Nb₂O₅₋ₓ）分散Ir活性位点。Ir/Nb₂O₅ₓ在2000小时测试中性能无衰减，归因于Ir与载体的界面电子转移加速。
     

3. 当前挑战与未来方向
   作者指出三大挑战：

   • 成本问题：Ir的地壳丰度极低（0.001 ppm），需将负载量降至0.3 mg/cm²以下。
     
   • 稳定性瓶颈：高电位下Ir³⁺/Ir⁴⁺溶解和表面重构导致性能衰减。例如，IrRuOx在1000小时后电位上升显著。
     
   • 机理研究不足：需通过原位表征（如XAS、拉曼光谱）揭示活性位点动态演化过程。
     未来应聚焦于：精确结构设计（如核壳结构）、形态调控（多孔/空心纳米结构）和载体优化（导电耐蚀材料）。
     

论文价值与意义
本文的价值在于：
1. 系统性总结：首次全面梳理了Ir基催化剂在PEMWE中的实际应用数据（如表1对比了31种催化剂的性能参数），填补了以往综述仅关注酸性OER基础研究的空白。
2. 技术指导性：提出“活性-稳定性-成本”协同优化策略，例如通过非晶/晶相复合结构（如Ir-IrOx）平衡性能，或利用缺陷工程（如氧空位）增强本征活性。
3. 工业视角：强调PEMWE的商业化目标需满足电流密度>2 A/cm²@1.8 V、寿命>3000小时等指标，为后续研究划定明确基准。

亮点
- 案例深度剖析：如Ir@WOₓ纳米棒阵列催化剂的质量活性达120 A/mgIr，是商业Ir黑的15.3倍；Sr₂CaIrO₆钙钛矿在6 A/cm²下仍无传质限制。
- 跨学科视角：结合电化学、材料科学和工程学，指出载体导电性与催化剂层传质对实际设备性能的影响常被忽视。
- 前瞻性观点：提出“动态界面效应”可能成为下一代催化剂设计核心，即通过载体-金属相互作用稳定活性位点（如Ir/Nb₂O₅ₓ中的Ir-O-Nb键）。

该综述不仅为Ir基催化剂研究提供了详实的数据库，也为PEMWE技术的产业化路径提供了理论框架和方法论指导。