综述：酸性OER与HER电催化剂研究进展：铱基、MOF基及钌基体系在可持续制氢中的应用

这篇综述系统探讨了质子交换膜电解水（PEMWE）技术在清洁氢能生产中的关键作用，重点分析了酸性环境下氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）电催化剂的优化策略。文章聚焦铱（Ir）基材料的催化活性与稳定性、金属有机框架（MOF）的结构可调性及其衍生材料的性能提升，以及钌（Ru）作为铂（Pt）的经济替代品在HER中的应用潜力，为开发高效、耐用的酸性电催化剂提供了前瞻性见解。

　　

酸性OER

电化学水分解技术中，酸性环境下的氧析出反应（OER）因其苛刻的反应条件成为研究难点。与碱性体系相比，酸性OER需要催化剂在低pH值下保持高活性和稳定性。铱（Ir）氧化物因其独特的导电性和耐腐蚀性成为当前最理想的阳极材料，其无定形水合态（IrO_x·nH₂O）与结晶无水态（IrO₂）的转化机制直接影响催化性能。热退火处理可诱导结晶化，但若形成不均匀颗粒反而会增加电荷转移阻抗。

金属有机框架（MOF）材料凭借可定制的孔隙结构和金属节点（如Zr⁴⁺、Hf⁴⁺）展现出OER应用潜力，但本征导电性差和酸性环境不稳定性限制了其直接应用。通过碳纳米管（CNT）复合或高温碳化衍生为多孔碳材料，可显著提升导电性和催化活性。

氢析出反应（HER）

阴极HER的动力学瓶颈在于质子吸附（Volmer步骤）与氢原子结合（Heyrovsky/Tafel步骤）的能垒。钌（Ru）因其氢键强度（~65 kcal/mol）接近铂且成本仅为后者的4%，成为最具商业化潜力的替代品。研究表明，调控Ru纳米结构的电子态密度和表面配位环境可优化氢吸附自由能（ΔG_H*），例如构建Ru单原子催化剂或与过渡金属合金化。

总结与展望

尽管Ir、MOF衍生材料和Ru基催化剂在PEMWE中取得进展，仍需解决以下挑战：1）原子尺度降解机制解析，特别是在高电流密度（>2 A/cm²）下的动态演变；2）Ir资源稀缺性问题，需开发超低载量（<0.1 mg/cm²）催化剂；3）MOF材料在长期运行中的结构坍塌风险；4）Ru基催化剂的活性-稳定性平衡策略。未来研究应结合原位表征技术和理论计算，设计兼具高活性位点暴露与快速传质通道的层级结构材料。

未来研究方向

突破性进展可能来自：1）非贵金属掺杂的IrO₂固溶体；2）双金属MOF前驱体衍生的核壳结构催化剂；3）Ru-M（M=Fe, Co, Ni）合金的电子协同效应调控；4）人工智能辅助的高通量催化剂筛选。这些方向将推动PEMWE技术向低成本、高效率的工业化应用迈进。

结论

酸性电催化剂的开发是清洁氢能经济的核心环节。铱基材料在OER中的主导地位、MOF衍生材料的结构创新以及钌基HER催化剂的性价比优势，共同构成了下一代PEMWE技术的研究框架。通过跨学科协作解决材料稳定性与规模化生产难题，有望加速实现“绿氢”能源的可持续发展目标。