Hanbing Zhu、Yinghuan Liu、Wenxin Guo、Jinyu Zheng、Yao Zheng、Serhiy Cherevko、Cheng Tang和Qiang Zhang等作者合作，于2024年12月在《Science China Chemistry》第67卷第12期发表了题为“Electrochemical Impedance Spectroscopy Analysis to Accelerate Electrocatalytic System Innovation”的综述论文。该论文围绕电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）及其衍生方法在质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电催化系统（如PEM燃料电池和PEM电解槽）中的应用展开深入探讨。

论文主题与背景

PEM电催化系统是可再生能源转换的核心技术，通过电-氢互转实现高效能量存储与利用。然而，其高成本与关键组件（如催化剂、膜电极）的耐久性问题制约了大规模应用。EIS作为一种非破坏性表征技术，能够解析电化学系统的动力学过程（如电荷转移、质子传输、质量传递），但传统EIS在区分时间常数相近的过程时存在局限。为此，作者系统综述了EIS及其衍生方法（如弛豫时间分布分析DRT、动态EIS）在优化PEM系统组件设计、工况条件及性能诊断中的应用。

主要观点与论据

1. EIS与DRT方法的原理与优势

EIS通过施加小幅正弦扰动信号，测量系统阻抗响应，揭示动力学特性。其核心在于等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）的拟合，但ECM依赖经验且存在主观性。DRT方法通过解卷积技术将阻抗谱分解为不同弛豫时间（τ）的峰，每个峰对应特定动力学过程（如阳极反应、阴极反应、离子传输），无需预设电路模型。例如，Freund等研究表明，PEM电解槽中DRT可区分高频区（10,000–33,000 Hz，离子传输）、中频区（300–2,000 Hz，阴极反应）和低频区（1–50 Hz，质量传递）的阻抗贡献。

2. EIS在PEM系统组件优化中的应用

• 催化剂设计：Wang等开发了TaB₂负载的IrO₂催化剂（IrO₂@TaB₂），EIS分析显示其电荷转移电阻（Rct）显著低于纯IrO₂，归因于TaB₂的高导电性和异质结电子效应。
  
• 流场板设计：Iranzo等对比平行与蛇形流场板，EIS证实蛇形设计因改善水管理而降低膜电阻（Rel）和接触阻抗。
  
• 多孔传输层（PTL）优化：Wang等通过超声和酸处理PTL，EIS显示其欧姆电阻降低50%，界面接触电阻下降30%，归因于亲水性提升和钝化层减薄。
  

3. EIS在工况条件研究中的价值

• 压力影响：Suermann等发现PEM电解槽在1–100 bar压力下，高频电阻（HFR）几乎不变，但质量传递过电位随压力升高而降低，因高压促进水传输至阳极。
  
• 温度效应：Siracusano等指出，温度从60°C升至80°C时，PEM电解槽的氧析出反应（OER）阻抗下降两个数量级，而氢析出反应（HER）阻抗几乎不变，表明OER对温度更敏感。
  
• 流速与浓度：Vincent等通过EIS确定碱性电解槽的最佳流速（40 mL/min）和KOH浓度（1.0 mol/L），超出此范围会因气泡积聚导致欧姆电阻上升。
  

4. 动态EIS（DEIS）与DRT在性能诊断中的创新应用

• DEIS技术：Lyu等将DEIS与长短期记忆（LSTM）神经网络结合，预测固体氧化物燃料电池（SOFC）的长期性能衰减，定量分析阴极阻抗对总衰减的贡献（占比70%）。
  
• DRT降解分析：Batalla等通过DRT识别PEM电解槽长期运行中阳极催化剂降解（峰面积扩大）与离子膜劣化（峰位移）的独立信号，为针对性修复提供依据。
  

论文的意义与价值

本文系统梳理了EIS技术在PEM电催化系统中的前沿应用，提出以下创新方向：
1. 方法学拓展：结合机器学习（如LSTM）与多尺度建模，提升EIS数据解析效率；
2. 工业应用潜力：开发实时在线监测技术，实现非透明设备（如电解槽）内部气泡演变的原位观测；
3. 跨学科融合：建议EIS与原位拉曼光谱、X射线衍射联用，以关联电化学阻抗与材料结构演变。

亮点总结

• 方法创新：详细对比了ECM与DRT的优劣，强调DRT在复杂系统（如多孔电极）中的高分辨优势；
  
• 应用突破：展示了EIS在催化剂、流场板、PTL等组件设计中的定量指导作用；
  
• 前瞻视角：提出将EIS与人工智能结合，推动电化学系统从“经验优化”迈向“数据驱动设计”。
  

该综述为PEM技术的科学研究和工程化提供了重要方法论支持，尤其对降低绿氢成本、加速可再生能源转型具有实践意义。