综述：多尺度设计与工程化高效耐用低铱催化剂用于水电解：原子结构、纳米形貌与宏观电极构型

这篇综述系统探讨了质子交换膜水电解槽（PEMWE）中低铱（Ir）催化剂的多尺度设计策略，从原子级活性位点调控、纳米尺度形貌优化到膜电极组件（MEA）宏观界面工程，为解决当前Ir负载量过高（>2 mg cm?2）和实现超低Ir用量（<0.1 mg cm?2）提供了创新思路，对推动吉瓦级绿氢生产具有重要指导意义。

　　

Abstract

质子交换膜水电解槽（PEMWE）因其高效率、可靠性和快速动态响应等优势，成为绿氢生产的关键技术。然而，阳极催化剂必须使用昂贵且稀缺的铱（Ir）基材料以耐受强酸和高压氧化环境。目前膜电极组件（MEA）中Ir负载量高达2 mg cm^?2，而规模化应用需将用量降至0.1 mg cm^?2以下。本综述从原子-纳米-宏观多尺度视角，系统阐述了提升Ir催化剂本征活性、优化三相界面传输及构建稳定MEA结构的策略。

Graphical Abstract

通过原子级配位环境调控可暴露高活性Ir位点，纳米多孔结构设计能提高Ir利用率并促进质子/电子传输，而宏观电极中催化剂层与多孔传输层（PTL）、膜的界面优化可显著延长器件寿命。示意图展示了从Ir单原子分散到三维分级孔道结构的全链条设计理念。

原子尺度：活性与稳定性的平衡

Ir-O键强度直接决定析氧反应（OER）活性，通过构建Ir-O-M（M=过渡金属）异质配位可调节电子结构，使过电位降低50 mV以上。亚稳态Irⁿ⁺（4<>

纳米尺度：质量传输与利用率提升

将Ir纳米颗粒尺寸缩小至2 nm以下可提升原子利用率，但需防止烧结；中空、核壳结构（如Ir@TiO₂）既能保护内核又增加活性比表面积。三维导电网络设计使电流密度在1 A cm^?2时Ir用量仅0.05 mg cm^?2。

宏观尺度：MEA集成优化

催化剂层与PTL的孔隙梯度设计可降低气泡阻力，而超薄离聚物界面层（<10 nm）能平衡质子传导和气体扩散。通过原位表征发现，局部酸浓度梯度是导致Ir溶解的主要原因，这为自修复电极设计提供了新方向。

未来展望

开发机器学习辅助的高通量筛选方法，结合原位表征技术揭示动态反应机制，将是突破超低Ir催化剂性能极限的重要途径。同时，需建立从材料合成到MEA集成的标准化评价体系，加速实验室成果向工业转化。