01
研究背景
质子交换膜电解水 (PEMWE) 技术具有转换效率高、电流密度大、体积紧凑、高氢气纯度等优点。尤其是，其高灵活性和功能可调性使得它们能够和风能、太阳能等波动性、间歇性可再生能源耦合，在推动清洁氢能产业发展和加速实现碳中和目标中扮演着关键角色。
催化剂涂层膜 (CCM) 是 PEM 电解槽的核心部件，由固体电解质膜和位于膜两侧的阳极和阴极催化剂层组成。其中，阳极催化层负责氧气的析出反应 (OER)，是水电解过程中的决速步骤。因此，PEMWE 的性能和效率在很大程度上受到阳极催化层结构和性能的影响。然而，阳极催化层的性能受到多种因素的制约，如催化剂的活性、稳定性、以及离子聚合物的含量和结构等。这些因素之间相互关联，共同影响着 PEMWE 的整体效率。
02
综述内容
近日，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室邹晓新教授团队在 Materials Chemistry Frontiers 上发表了题为“Multiscale engineering of anode catalyst layers in proton exchange membrane water electrolyzers”的综述文章。该综述从原子尺度、纳微米尺度和宏观尺度三个维度上阐述了阳极催化层的设计原则，提出了低铱化 PEMWE 阳极催化层的未来研究方向。
图1 PEM 电解槽结构。
首先，文章介绍了 PEMWE 的基本结构和工作原理，强调了阳极催化剂层在 PEMWE 中的重要性及挑战。阳极催化层由铱基催化材料和离聚物组成，离聚物在阳极催化层中作为粘结剂和质子导体，氧化铱聚集体起到催化剂和电子导体的作用。商业 PEMWE 中的阳极催化层通常依赖于高载量的 IrO2 (≥2 mgIr cm-2)。大幅度减少 CCM 中铱的用量，同时提升阳极催化层性能，对于 PEMWE 的广泛应用至关重要。基于此，文章提出优异的低铱阳极催化层应具备以下几个特征：(1) 高催化活性；(2) 高催化稳定性；(3) 高电子导电性；(4) 高质子导电性；(5) 高物质传输性质。
图2 阳极催化层的多尺度优化示意图。
接着，文章探讨了如何通过阳极催化层的多尺度工程提高 PEMWE 的效率与稳定性。包括：(1) 原子尺度上，高活性铱位点的理性构筑和稳定化。在原子尺度上，活性位点的设计是提高 OER 性能的关键。通过调整材料的化学组成、晶体结构和电子结构等来增强催化剂的本征活性。(2) 纳微米尺度上，催化剂层的结构调控和物质输运性质强化。在纳微尺度上，通过调控催化剂的大小、形状和结构以增加活性位点的数量并改善反应物和产物的扩散。(3) 宏观尺度上，低铱、均匀连续的催化层的制备。通过调整阳极催化层的厚度、形态和离聚物的含量等来平衡催化层的传质传荷效率和电解槽的长期稳定性。基于此，提出通过多尺度协同优化，可以实现阳极催化层性能的全面提升，推动 PEM 电解槽技术的商业化和规模化应用。
最后，文章对多尺度工程在阳极催化层设计中的未来研究方向进行了展望。包括弥合高活性低铱析氧催化剂与高性能 PEMWE 阳极催化层之前的差距、发展阳极催化层的工况电化学原位表征方法、探索阳极催化层在工况下的失活/稳定机制等。这些研究将有助于深入理解 PEMWE 内部三相界面上的电化学反应基本原理以及在实际运行中的动态性能，推动电解池系统的优化升级。
03
论文信息
Multiscale engineering of anode catalyst layers in proton exchange membrane water electrolyzers
Qianqian Liu, Yanfei Wang, Xiao Liang, Hui Chen and Xiaoxin Zou
Mater. Chem. Front., 2025,9, 30-44
https://doi.org/10.1039/D4QM00842A
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04
通讯作者简介
邹晓新 教授
吉林大学
邹晓新，吉林大学教授、博士生导师，入选国家科技创新领军人才 (2022年) 和“万人计划”青年拨尖人才 (2019年)，主持基金委优秀青年科学基金项目 (2020年)。长期从事氢能源材料化学研究，旨在交叉无机固体材料的结构化学、合成化学及催化化学，揭示材料设计与性能的原子结构基础，创制新型催化材料，发展绿色、宏量制备方法，推动基础研究成果产业化。在 JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Nat. Commun. 等学术刊物上发表 SCI 论文100余篇。
课题组链接：http://www.zouxxgroup.com/
陈辉 研究员
吉林大学
陈辉，吉林大学化学学院，无机合成与制备化学国家重点实验室，研究员，博士生导师。2018年获得吉林大学博士学位，同年入选人社部“博士后创新人才支持计划”，2022年留校任教。致力于氢能源材料化学与应用技术研究，以第一/通讯作者在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、CCS Chem. 等期刊发表论文40余篇，7件铱催化剂的发明专利成果完成技术转化(金额1000万元)。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、吉林省科技厅和教育厅科研项目、中国博士后科学基金特别资助和面上资助等国家级/省部级科研项目10余项，作为课题子项目负责人参与国家重点研发计划“氢能技术”重点专项。获得全国博士后创新创业大赛优胜奖、吉林大学 (力旺) 杰出博士后等奖项。兼任 Materials Chemistry Frontiers 等期刊青年编委。
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