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质子交换膜水电解（PEMWE）技术因其高电流密度、氢气纯度和较低能耗而成为绿色制氢的重要方法。然而，其阳极氧析出反应（OER）因动力学缓慢成为制约因素，目前多依赖稀有且昂贵的Ru和Ir基电催化剂。传统催化剂在高电流密度和长时间运行中的稳定性与活性难以兼顾，急需开发具有高原子经济性、长寿命的新型催化剂。
成果简介
本研究综述了大电流密度下高稳定性、高原子经济性Ru和Ir基电催化剂的设计策略，包括单原子设计、异质原子掺杂、缺陷/空位调控、合金化以及异质结工程。这些策略有效调控了催化剂的电子结构和反应路径，显著提升了酸性环境中OER的催化性能。研究进一步阐释了催化剂结构与性能的关系，为PEMWE阳极催化剂的工业化应用提供了科学指导。
研究亮点
高效设计策略：系统总结了针对高电流密度设计Ru和Ir基催化剂的关键策略，包括单原子和缺陷调控等。
结构-性能关系：通过实验和理论模拟揭示了结构调控如何影响催化性能，为未来设计提供依据。
工业化前景：讨论了高效、低成本催化剂在PEMWE大规模应用中的潜力和挑战。
先进表征技术：强调了原位技术在揭示催化剂反应机理中的重要作用
配图精析
图1：PEMWE设备和OER机理概述
展示了PEMWE设备的组成、工作原理及OER反应路径，包括吸附演化机制（AEM）和晶格氧介导机制（LOM）。
图2：单原子催化剂的结构与性能
通过单原子设计实现了Ru和Ir的高效利用，降低了贵金属用量并提升了催化剂在高电流密度下的稳定性。
图3：掺杂策略优化电子结构
异质原子掺杂显著改善了催化剂的电子分布和中间体吸附行为，从而提升了OER活性与稳定性。
图4：缺陷与空位调控策略
创造丰富的缺陷和空位，通过优化电子结构和表面反应路径，显著提高了催化剂的活性和抗氧化性能。
图5：合金化与异质结策略
合金化和异质结设计通过调控金属间的电子相互作用，增强了催化剂的抗溶解性和电子导电性。
图6：催化剂的工业化潜力与表征技术
展示了不同催化剂的工业化性能对比，以及原位表征技术（如原位XPS和原位TEM）对揭示催化剂反应机制的贡献。
展望
本研究为PEMWE阳极催化剂的设计与开发提供了系统的理论和实践指导，展示了在大电流密度条件下实现高稳定性与高活性的潜力。未来，结合更高效的表征技术和计算方法，有望进一步提升催化剂的性能，为绿色氢能生产奠定坚实基础。
文献信息
标题：Recent advances and modulation tactics in Ru- and Ir-based electrocatalysts for PEMWE anodes at large current densities
期刊：eScience
DOI：10.1016/j.esci.2024.100323
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100323
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