质子交换膜水电解槽（PEMWE）阳极催化剂层的多尺度工程研究综述
作者与发表信息
本文由Qianqian Liu（吉林大学化学学院/西安科技大学材料科学与工程学院）、Yanfei Wang*（中国石油石化研究院）、Xiao Liang、Hui Chen*和Xiaoxin Zou*（吉林大学化学学院）合作完成，发表于Materials Chemistry Frontiers（2025年，第9卷，第30-44页），由英国皇家化学会和中国化学会联合出版。
研究背景与主题
质子交换膜水电解技术因其高效率、低能耗和快速响应特性，在清洁氢能发展和碳中和目标实现中具有关键作用。本文聚焦PEMWE中阳极催化层（Anode Catalyst Layer, ACL）的多尺度优化策略，系统探讨了从原子尺度活性位点设计到宏观尺度催化剂层集成的协同工程方法，旨在解决当前铱（Ir）基催化剂资源稀缺、成本高昂（2024年8月价格达175美元/克）及性能稳定性不足等核心问题。
核心观点与论据
- 原子尺度活性位点设计
通过调控Ir位点的电子结构和配位环境提升本征活性。研究表明：
- 固溶体策略：如IrO₂-ZrO₂和IrO₂-TiO₂固溶体通过Zr/Ti原子削弱Ir-O键结合能，使Ir质量活性达到商业IrO₂的39倍（图3a-c）。
- 晶体结构工程：层状铱酸盐（如Na₂IrO₃衍生的二维缺Ir纳米片）暴露出边缘Ir活性位，其质量活性提升16.5倍（图3d-f）。
- 载体界面效应：双界面结构IrO₂@TaOx@TaB₂中，TaOx层抑制载体氧化，同时界面电子相互作用增强催化稳定性，在PEMWE中实现3.06 A cm⁻²@2 V的性能（图3g-i）。
- 纳米/微米尺度形貌调控
通过多孔结构设计优化物质传输：
- 模板法：制备的二维介孔Ir纳米片（图4a-b）和三维纳米多孔IrNi合金显著增加活性位点暴露。
- 牺牲模板法：构建的IrOx-离聚物团聚体（ODT-1.0）具有空腔结构，在0.72 mgIr cm⁻²负载下实现7.0 A cm⁻²@2.07 V的高电流密度（图4e-g）。
- 蜂窝状薄膜电极：通过快速电镀技术制备的蜂窝状Ir薄膜电极在0.27 mg cm⁻²低载量下达到4.2 A mgIr⁻¹@1.7 V的高质量活性（图4h-j）。
- 宏观尺度催化剂层优化
- 厚度与离聚物调控：研究表明1-2 mgIr cm⁻²负载（对应4-8 μm厚度）和11.6 wt%离聚物含量为最优参数（图5a-d）。
- 梯度结构设计：通过离聚物含量从膜界面到PTL界面递减的梯度分布（图5e），有效降低传质阻力，使电解槽电压降至2.118 V@3 A cm⁻²。
- 导电网络构建：采用Ti微米颗粒作为IrO₂载体可增强电子传导，降低欧姆损耗。
- 多尺度协同优化案例
- 分级结构电极：IrRu亚纳米片组装在Pd纳米线上形成的电极（图6a-c）在0.35 mgIr cm⁻²负载下实现2.44 V@6.0 A cm⁻²。
- 自支撑电极：无离聚物的多孔Ir纳米片电极（图6g-i）在0.3 mg cm⁻²载量下仅需1.65 V@3 A cm⁻²，且在高电流密度下稳定性优异。
科学价值与挑战
本文的创新性体现在：
1. 系统性框架：首次提出涵盖原子-纳米-宏观尺度的ACL设计方法论，为低Ir催化剂开发提供理论指导。
2. 性能突破：多尺度协同策略使PEMWE性能超越美国能源部2025年目标（如IrO₂@TaOx@TaB₂体系）。
3. 工业转化瓶颈：指出三电极测试与CCM实际性能的差距，强调需同步优化催化剂导电性、分散性及亲水性。
未来方向建议
1. 原位表征技术：开发针对PEMWE三相反的原位拉曼、高速摄像等方法，揭示反应界面动态过程。
2. 降解机制研究：需深入探究低Ir负载下催化剂溶解、载体腐蚀等失效机理。
3. 规模化制备：发展适合工业化生产的催化剂合成技术。
本文不仅为PEMWE阳极催化层设计提供了全面视角，也为实现高效、稳定、低成本的绿氢制备系统指明了材料创新与结构优化的协同路径。