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质子交换膜水电解（PEMWE）技术因其高效性和适应可再生能源的特性，在清洁氢能生产中具有重要应用潜力。然而，PEMWE阳极的氧化反应（OER）具有较高的过电位，且通常需采用高负载的贵金属铱（Ir）催化剂以确保稳定性，增加了成本和规模化应用难度。本综述从阳极设计角度，探讨了实验室研发的OER催化剂在耐久性、性能和成本方面与实际设备需求的差距，提出了克服这些障碍的策略。
成果简介
本文系统评估了OER催化剂从实验室到产业化的关键差距，包含耐久性评估框架、性能基准测试方法以及降低成本的策略。研究揭示，通过先进的耐久性评估、优化的界面设计及气泡管理策略，能够显著提高低铱阳极在实际应用中的表现。此外，综述强调了基于理论计算和机器学习的催化剂筛选方法，以提高实验室研发向产业化应用的效率。
研究亮点
耐久性评估框架的提出：从耐久性评估出发，本文提出了一套整合计算筛选、加速应力测试和结构表征的框架，用于系统评估和优化催化剂的耐久性表现。
性能基准测试方法改进：通过标准化的三电极系统和装置内测试，保证实验室与设备性能的可比性，帮助识别具有实际应用潜力的阳极催化剂。
阳极成本优化策略：提出了通过降低Ir用量和延长阳极寿命来实现成本降低的方法，以实现未来氢能生产的“1美元/1千克氢/10年寿命”目标。
配图精析
图1：图1展示了PEMWE装置与加速测试系统（AMS）中阳极结构的对比，并列出了PEMWE组件的设计参数变化。该图强调了AMS测试与实际装置测试的差异，特别是在耐久性和催化剂行为方面。
图2：图2概述了OER催化剂在AMS和PEMWE中的降解机制。该图涵盖了重构、溶解、迁移和气泡堵塞等多种降解过程，说明了这些现象如何影响催化剂的稳定性和活性。
图3：图3介绍了耐久性评估框架。该框架包括通过计算筛选潜在稳定材料、AMS测试、实际设备验证以及原位/非原位表征，以系统评估催化剂在实际应用中的耐久性。
图4：图4为AMS系统中催化剂性能的基准测试结果。通过电化学测试方法如循环伏安法（CV）和塔菲尔曲线，评估了不同催化剂在酸性条件下的OER活性和耐久性。
图5：图5展示了PEMWE的测试协议，分为四个步骤，包括加热、条件化、稳态测试和性能评估，详细描述了测试过程和条件，以确保测试数据的可重复性和可比性。
图6：图6展示了基于Ir用量、系统效率和电力价格的成本敏感性分析。该图说明了减少铱用量和延长阳极寿命对降低PEMWE制氢成本的重要性，最终实现1美元/公斤氢气的目标。
展望
本文为从实验室到产业提供了系统指导，通过耐久性评估、性能基准测试和成本优化等策略缩小实验室研究与产业化需求的差距。随着更多高效耐久的阳极催化剂被开发，PEMWE技术将为实现经济可持续的氢能生产提供重要推动力。
文献信息
期刊：Chem
DOI：10.1016/j.chempr.2024.09.004
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.09.004
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