一、PEM电解水阳极催化剂层的"隐形杀手"——死区
质子交换膜（PEM）电解水制氢技术因其高电流密度、快速动态响应和高纯氢输出等优势，被视为可再生能源耦合规模化制氢的主流路线。然而，PEM电解槽阳极铱基催化剂的利用效率一直远低于预期——大量铱原子"闲置"，无法参与实际的电化学反应。
2026年7月1日，吉林大学化学学院邹晓新教授、陈辉副教授团队在国际顶级期刊Nature Communications发表最新研究成果，首次系统揭示了这一现象的根因：PEM电解水阳极催化剂层中存在大面积电化学惰性区域——即"死区"（dead zones），这些区域的IrO₂纳米催化剂虽然存在，却因电子传导通道断裂而无法被"激活"。
二、死区成因：离聚体"绝缘效应"阻断电子传输
在传统PEM电解水膜电极（MEA）制备中，阳极催化层通常采用一步混合喷涂法——将IrO₂纳米催化剂与Nafion离聚体混合成浆料后一次性喷涂到质子交换膜上。这种方法虽然工艺简便，却带来了一个长期被忽视的问题。
团队通过原位气泡演化可视化与定量导电率测量相结合的方法，发现离聚体在催化层中会"包裹"IrO₂纳米颗粒，阻断颗粒间的电子接触，形成导电"孤岛"——这些孤岛内的铱原子虽然有催化活性，但因缺乏电子传输通道而无法参与反应。
- 🔬 原位可视化证据：气泡演化实验直观显示，催化层中只有部分区域产生氧气气泡，其余区域完全无反应迹象
- 📊 导电率测量：一步混合法制备的催化层面内电子导电率显著低于纯IrO₂层
- ⚙️ 电化学分析：死区区域的IrO₂虽存在但电化学活性面积（ECSA）利用率极低
- ✅ 根因确认：离聚体的"绝缘效应"是死区形成的决定性因素，而非催化剂本征活性不足
三、创新解决方案：顺序喷涂策略激活死区
针对死区问题的根因，团队提出了顺序喷涂策略（sequential spray-coating）——将导电催化剂层的沉积与离聚体的添加解耦，分步进行：
- 🧪 第一步：先喷涂纯IrO₂纳米催化剂层，形成完整的导电网络
- ⚙️ 第二步：再单独喷涂薄层离聚体，仅覆盖催化层表面以提供质子传导通道
- ✅ 关键优势：催化层内部IrO₂颗粒间保持直接电子接触，导电网络不被打断
这一策略的核心思想是：先建"电路"，再铺"水管"——确保电子传输通道完整后，再引入质子传导所需的离聚体。这与传统一步混合法的"电路和水管混建"思路形成鲜明对比。
值得注意的是，顺序喷涂策略与工业级的超声喷涂机工艺高度兼容——超声喷涂的精密雾化控制能力可以精确实现催化层与离聚体层的分步沉积，为MEA膜电极制备产线的工艺升级提供了直接的技术路径。
四、性能数据对比：活性提升超30%，稳定性突破8300小时
顺序喷涂策略带来的性能提升令人瞩目。团队在Nature Communications论文中给出了与传统一步混合法的全面对比数据：
| 指标 | 一步混合法（传统） | 顺序喷涂法（创新） | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 电流密度 @2.0V @80°C | 约3.2 A/cm² | 4.2 A/cm² | +30%以上 |
| 阳极铱载量 | 0.25 mgIr/cm² | 0.25 mgIr/cm² | 同等低载量 |
| 稳定运行时长 | 数百至数千小时 | 8300小时 | 显著提升 |
| 催化层面内导电率 | 受限（离聚体干扰） | 完整导电网络 | 质变级提升 |
| 使用的质子交换膜 | Nafion 115 | Nafion 115 | 相同基准 |
| 催化剂类型 | 标准IrO₂ | 标准IrO₂ | 无需特殊催化剂 |
五、对PEM电解水测试与MEA制备的启示
这项研究对PEM电解水产业具有多方面的深远意义：
1. PEM电解水测试台验证标准需升级
死区现象意味着，PEM电解水测试台在评估阳极催化剂性能时，不能仅看催化剂本征活性，还需关注催化层的面内电子导电率与电化学可及性。测试台应增加催化层导电率与空间活性分布的表征维度，才能全面评价MEA质量。
2. MEA膜电极制备产线工艺优化方向明确
顺序喷涂策略为MEA膜电极制备产线指明了明确的工艺优化方向：催化层与离聚体的分步喷涂，而非一步混合。这对超声喷涂机、平板热压机等MEA制备关键设备的工艺参数设置具有重要指导意义。
3. 低铱载量路径的可行性大幅提升
在0.25 mgIr/cm²的超低铱载量下实现4.2 A/cm²和8300小时稳定运行，为PEM电解槽降本提供了强有力的证据——降低铱用量不必依赖新型催化剂研发，优化MEA制备工艺同样可以释放巨大的性能潜力。
六、研究背景与团队信息
本研究由吉林大学化学学院邹晓新教授（通讯作者）和陈辉副教授（通讯作者）领衔，第一作者为赵梓成和梁宵（共同第一作者）。邹晓新教授是国家科技创新领军人才、国家优秀青年科学基金获得者，长期从事无机氢能源材料研究，在PEM电解水阳极铱催化剂领域已发表多篇高水平论文。
团队此前还在Angewandte Chemie上发表了关于空心氧化铱纳米球（dh-IrOx）降低铱堆积密度的研究，将阳极铱堆积密度降至传统IrO₂的20%，并与中石油合作开发了50 Nm³/h PEM电解槽。本次Nature Communications论文延续了团队在低铱PEM电解水方向上的系统性探索。
邹晓新教授表示："顺序喷涂策略揭示了催化层结构优化的重要性——在PEM电解水领域，仅关注催化剂本身的活性是不够的，催化层的电子传输网络完整性同样关键。这一发现为PEM电解槽降本提供了新的工艺路径。"
该研究获得国家自然科学基金（22579064、22279040）、长白山实验室科技创新项目等资助。
（本文基于公开科研进展整理。如需了解PEM电解水测试台、MEA膜电极制备产线、超声喷涂机、膜电极测试夹具等氢能测试与制备设备，欢迎访问合肥博格达氢能产品中心。）
