Shuwen Xu, Han Liu, Nanfeng Zheng, and Hua Bing Tao 等作者撰写的文章《Physical Degradation of Anode Catalyst Layer in Proton Exchange Membrane Water Electrolysis》于2024年在 Advanced Materials Interfaces 发表。这篇综述文章深入探讨了质子交换膜水电解技术(Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, PEMWE)中阳极催化层(Anode Catalyst Layer, ACL)的物理降解机制，并对未来研究方向进行了展望。
质子交换膜水电解技术（PEMWE）被认为是实现绿色制氢的前沿技术，因其工作窗口广、压力灵活和响应迅速的特点，在可再生能源的利用中具有重要潜力。然而，PEMWE的大规模应用受到寿命有限的限制，特别是阳极材料的稳定性和结构退化问题。多数学术研究集中于通过化学方法提升性能，但工业经验表明物理降解是影响性能和寿命的主要原因之一。因此，本文综述了阳极催化层的物理降解机制，包括结构问题（例如断裂、变形）、固体电解质的迁移及机械压力、气泡应力等相关影响。
作者旨在弥补关于实际工作条件中物理降解研究盲区的知识鸿沟，并为开发高效、耐用的工业PEMWE设备提供研究方向。
阳极催化层是氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）的关键场所，对整体电解效率起到决定作用。结构降解主要表现在以下方面： - 催化层的断裂及分层：阳极催化层在长期运行中受到不均匀机械压力和气泡（化学反应产生的氧气泡）的应变作用，这会造成物理结构的塌陷或直接断裂，最终导致单体失效。 - 裂缝的形成与催化剂颗粒的脱落：阳极中的氧气泡通过孔隙渗透到催化层内，会破坏催化剂与离聚物的网络稳定性，长期会引发颗粒脱落。 - 界面退化：催化层（ACL）在实际工作条件下与多孔传输层（Porous Transport Layer, PTL）和质子交换膜（PEM）接触。这些关键界面结构的劣化会导致层间粘附力不足，出现分离问题。
离聚物（Ionomer）在催化层中不仅作为质子传导相，还作为粘结剂绑定催化剂颗粒。物理降解相关问题如下： - 离聚物的分布与迁移：实验表明，离聚物在ACL/PCL（催化层/质子膜）界面分布不均会导致性能下降。在实际运行条件下，随着运行时间推进，离聚物膨胀或迁移可能阻塞催化层的孔隙，影响水与气体的传输效率。 - 化学降解：虽然离聚物化学降解更多见于燃料电池领域，本文引用研究表明长时间、高温下离聚物的侧链断裂和F−离子的流失会直接导致结构损伤。 - 优化策略：文章建议通过微结构可控手段，例如利用离聚物3D分布模型对整体稳定性进行优化。
外部机械压力主要通过多孔传输层传递到催化层。过大的压力会导致局部应力分布不均，从而加速局部热点（hotspots）生成并引起电池单元局部失效。此外，非对称压力使阳极的润湿性能降低、氢气渗透加剧，对性能造成进一步损害。
文章指出研究人员已通过流程渠道设计、梯度压力均匀分布技术改善应力问题，其中引入钛网结构改进了内应力的均匀分布，大幅延长催化层寿命。
在水电解反应中，阳极催化表面生成氧气泡（nucleation, growth, detachment）是自然过程。气泡行为通过以下方式对性能产生负面影响： - 覆盖催化活性位点：氧气泡可能阻挡维持水和质子传输的三相边界（Triple-Phase Boundaries, TPBs）。 - 机械应力破坏：气泡在生成和释放过程中对催化层施加机械应力，使微裂纹增多。
文章提到通过催化层孔结构优化、疏水性改善等手段能有效减缓气泡应力的负面效应。
质子交换膜在高温高湿环境下会发生膨胀，导致局部粘附力减弱、催化层脱离以及机械性能下降。本文引用实验结果显示，膜的膨胀和收缩还会引发机械变形，例如微裂纹和针孔形成，严重影响整个MEA（Membrane Electrode Assembly，膜电极单元）的耐久性。
文章系统梳理了阳极催化层的各类物理降解机制，并列举了针对性改进策略及未来研究的思路。这种从材料基础到实际工程的全链条探讨，为加快PEMWE大规模应用指明了研究方向。综述强调实际应用条件下的界面结构优化、离聚物迁移管理等问题，并强烈呼吁学术界联合工业界设立统一的材料评估标准，从而实现绿色氢能的可持续发展。