这篇文档属于类型b，是一篇关于铱基阳极催化剂在质子交换膜水电解（PEMWE）中应用的科学综述。以下是对该文档的学术报告：

作者与机构
本文由吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室的Hui Chen、Muhan Na和Xiaoxin Zou*（通讯作者）合作完成，发表于期刊《CCS Chemistry》2025年7月刊，DOI号为10.31635/ccschem.025.202506099。

主题与背景
综述聚焦质子交换膜水电解（PEMWE）技术中铱（Ir）基阳极催化剂的开发挑战与应用前景。PEMWE是可再生能源制氢的核心技术，但其大规模部署受限于阳极催化剂层（ACL）中高铱负载量（2–4 mg cm⁻²）导致的成本问题。铱的地壳丰度极低（仅为铂族金属的1/100），价格十年间上涨十倍（2025年达150美元/克），因此降低铱用量同时保持高活性和耐久性成为研究重点。本文系统梳理了铱基催化剂设计、活性-稳定性权衡、实验室研究与工业应用差距的根源，并提出了多尺度优化策略。

主要观点与论据
1. 铱基催化剂的设计策略与进展
通过晶体相工程（如钙钛矿型SrIrO₃、层状Na₂IrO₃）、组分调控（引入碱/碱土金属或过渡金属）、载体锚定（TiO₂、SnO₂等酸性稳定载体）和形貌工程（纳米线、介孔结构等），实验室规模已实现铱质量活性提升两个数量级。例如，层状铱酸盐通过质子交换能力（如HₓIrOᵧ纳米片）增强稳定性，而多孔空心IrOₓ纳米球可同时提高活性位点暴露和传质效率。然而，这些催化剂多在三电极体系中测试，其性能与PEMWE实际工况存在显著差异。

1. 实验室与工业性能差距的根源
   三电极系统（0.5 M H₂SO₄，10 mA cm⁻²）仅反映本征活性，而PEMWE的工业条件（>1 A cm⁻²，强酸性、高电位、气液两相流）引入多重限制：

   • 电子传导：IrO₂聚集体在低负载时易形成“死区”（电子隔离），而半导体型铱酸盐（如SrIrO₃）体相电导率不足（需>0.1 S cm⁻¹）。
     
   • 质子传输：离聚物（如Nafion™）分布不均可能导致局部质子传导受阻，过量离聚物覆盖活性位点。
     
   • 传质限制：高电流密度下氧气气泡阻塞孔隙，薄催化剂层（ μm）易因机械应力剥离。
     

2. 催化剂失活机制
   酸性OER环境中，铱基催化剂面临化学与物理降解：

   • 化学溶解：非铱组分（如Ni、Co）选择性溶出引发表面重构，形成不稳定的无定形IrOₓ；晶格氧机制（LOM）导致Ir³⁺或IrO₄²⁻流失。
     
   • 载体腐蚀：碳基载体在>0.207 V（vs. SHE）时氧化，而部分非氧化物载体（如氮化物）可能钝化。
     
   • 结构劣化：Ostwald熟化和粒子迁移导致活性面积下降，气泡冲刷加速催化剂层剥离。
     

3. 多尺度优化策略
   为实现低铱负载（<0.125 mg cm⁻²）的高性能ACL，需协同优化：

   • 原子尺度：调控Ir位点配位环境（如边缘羟基化Ir位点）以平衡活性和稳定性。
     
   • 介观尺度：构建分级孔结构（如自组装亚微米孔道）改善传质，或开发本征质子导体（如HₓIrOᵧ纳米片）减少离聚物依赖。
     
   • 器件层面：优化墨水配方（IrO₂/离聚物比例≤25 wt%）和涂层工艺（如3D打印），避免界面接触不良。
     

典型案例
- 多孔层状IrO₂（Xie et al., 2024）：通过孔道设计实现0.56 mgIr cm⁻²负载下2.7 A cm⁻²@1.9 V，稳定运行2300小时。
- 嵌入型Ir/CeO₂催化剂（Shi et al., 2025）：铱纳米颗粒永久锚定于CeO₂载体，0.3 mg cm⁻²负载时电流密度达3 A cm⁻²@1.72 V，耐久性超6000小时。

意义与价值
本文批判性分析了铱基催化剂从基础研究到工业应用的转化瓶颈，提出“本征活性-传质-界面稳定性”协同优化的框架，为低成本PEMWE技术发展指明方向。其科学价值在于揭示了多物理场耦合下催化剂的真实失效机制，应用价值体现在为美国能源部（DOE）目标（3 A cm⁻²@1.6 V，80,000小时寿命）提供了可行路径。

亮点
1. 首次系统阐述三电极测试与PEMWE性能差异的物理化学根源；
2. 提出“晶体结构-多孔形貌-离聚物分布”跨尺度设计原则；
3. 汇总66种钙钛矿氧化物（如SrTiₓRuᵧIr₂O₃）的活性-稳定性构效关系图谱。

未来方向
作者呼吁建立标准化测试协议（如半电池气体扩散电极模拟PEMWE条件），并开发多尺度建模工具（DFT-分子动力学-多物理场仿真联用）以加速催化剂设计。