本研究的主要作者包括Han Liu、Xinhui Wang、Kejie Lao、Linrui Wen、Meiquan Huang、Jiawei Liu、Tian Hu 等，研究团队隶属于厦门大学的固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心，以及福建省能源材料科学与技术创新实验室（IKKEM）。文章发表在《Advanced Materials》期刊中，DOI为10.1002/adma.202402780。目前，该文章已经通过了同行评审，但尚未经历编辑、排版和校对。
研究背景
随着可再生能源逐渐成为能源结构的主要组成部分，如何有效储存和转换间歇性可再生能源成为重要课题。质子交换膜电解水技术（Proton Exchange Membrane Water Electrolysis，PEMWE）因其高效、清洁、响应迅速等诸多优点，被认为是生产绿色氢气的核心技术。然而，PEMWE在商业化应用中仍面临若干主要问题，如效率不足、寿命较低以及高昂的成本。其中阳极催化剂层（Anode Catalyst Layer，ACL）因承受高氧化电位和腐蚀性环境，是性能衰减的主要组件之一。因此，如何优化ACL的设计并提高其机械和电化学稳定性成为研究重点。
研究目的
该研究旨在针对ACL的微观结构动态变化及离子聚合物的迁移行为，揭示这一现象对性能和耐久性的影响，从而探索优化方法。通过优化离子聚合物的分布，在减缓性能衰减的同时，提升PEMWE的整体效率与寿命，进而为低成本氢能生产找到可行方案。
研究设计分为多个阶段，采用了一系列实验技术和创新性的研究方法。
1. 离子聚合物迁移机制的探讨
- 实验流程：通过将ACL样品浸泡于80℃热水中24小时，并使用液态原子力显微镜（Liquid-phase Atomic Force Microscopy, LP-AFM）观测水热作用条件下ACL的微观结构演化。 - 工具与创新点：液态原子力显微技术通常用于液态环境中难以观察的聚合物微结构演变。研究首次利用LP-AFM，揭示ACL微孔被离子聚合物占据的现象。
2. 梯度离子聚合物分布ACL的制备与性能测试
- 样品制备：研究分别设计了梯度离子聚合物分布的ACL（Gradient Ionomer Distributed ACL, GID-ACL）以及逆梯度离子聚合物分布的ACL（Inverse Gradient Ionomer Distributed ACL, IGID-ACL）。两者通过多层渐变涂覆工艺制备，其中GID-ACL在膜（PEM）界面富集离子聚合物，而在多孔传输层（PTL）界面则减少离子聚合物分布。 - 寿命测试：在温度80℃及电流密度2.0 A/cm²条件下，分别对两类ACL样品进行700小时稳定性测试，监测衰减速率和电压变化。 - 电化学表征：利用电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线等手段分析关键阻抗参数（如电荷传递阻抗、质量传递阻抗），进一步分离性能衰减的各组成部分。
3. 催化剂油墨（Catalyst Ink）的稳定性研究
- 实验流程：通过多光散射技术（Dynamic Multiple Light Scattering, DMLS）监测催化剂油墨中离子聚合物与催化剂颗粒的动态行为，分析离子聚合物在油墨中上下层的分布变化。 - 方法创新：DMLS技术可以无稀释检测高浓度催化剂油墨中粒子的沉降和分布，这是工业制备中复杂乳液研究的一个突破点。
4. 单步涂覆GID-ACL的制备探索
- 优化设计：通过调节催化剂油墨中溶剂体系（如加入高粘度溶剂1,2-丙二醇），改变油墨中离子聚合物的微观动力学行为，成功实现了一步涂覆梯度分布结构。
5. PEM堆栈测试
- 规模化应用评估：使用含6块MEA（膜电极组件）的1.0 kW PEM堆栈，在平均电流密度2.0 A/cm²条件下测试堆栈性能及稳定性，进一步验证设计在商业化扩展中的可操作性。
1. 离子聚合物迁移导致的性能衰减
通过LP-AFM观测发现，传统逆梯度分布的IGID-ACL中，离子聚合物更倾向于向PTL界面聚集，导致微孔结构被阻塞。这种微观结构变化直接增加了质量传输阻抗（ƞmt）和欧姆阻抗（ƞohm），从而引发更高的电压衰减速率。
2. 梯度分布显著改善稳定性
GID-ACL在700小时测试后表现出远低于IGID-ACL的电压衰减速率，仅为后者的约三分之一。特别是在高电流密度下，GID-ACL展现了稳定的电子、质子和水气运输通道。
3. 催化剂油墨的性质与ACL结构的相关性
DMLS显示，通过优化油墨溶剂配比（如增加1,2-丙二醇含量），可以诱导更多离子聚合物向油墨顶层迁移，从而在最终ACL中形成梯度分布。
4. 单步制备方法的成功验证
成功通过改进催化剂油墨的设计，在实现GID-ACL中离子聚合物梯度分布的同时，简化了工业化制备流程。
5. PEM堆栈测试结果
GID-ACL在1.0 kW PEM堆栈中实现了良好的耐久性和平均性能。然而，由于堆栈阳极和阴极的压力差，其长时间稳定性稍逊于单电池。
该研究系统地探讨了PEMWE中离子聚合物迁移对性能的影响，明确了ACL微观结构稳定性的重要性。通过开发梯度离子聚合物分布的设计，显著改善了电解水单元的电化学稳定性与耐久性。研究结果为商业化大规模氢能生产提供了重要的指导性方案。
科学意义
1. 揭示了离子聚合物迁移的微观机制，为优化化学分布提供了理论基础； 2. 实现了工业化制备方法的突破，具备实际应用意义； 3. 开辟了通过调整催化剂油墨行为优化结构的研究路径。
应用价值
1. 将新设计拓展至大规模PEM堆栈，为可再生能源的储能与氢能生产提供高效解决方案； 2. 降低使用IrO₂等贵金属催化剂的阈值，为氢能产业的发展降低成本。
该研究创新性地结合了先进表征技术（LP-AFM与DMLS），引入了催化剂油墨微动力学调整的设计思路，并首次展示了单步制备梯度分布结构的可行性。研究成果为PEM电解水技术的基础研究和工业化应用搭建了有力桥梁。