App. Catal. B: Environ.:颠覆传统设计!无离聚物多孔铱纳米片电极实现PEM电解水制氢新突破

研究背景

在质子交换膜电解水（PEMEC）制氢技术中，阳极催化剂层通常依赖Nafion离聚物作为质子导体和粘结剂。然而，离聚物的存在不仅增加了电极制备的复杂性，还在一定程度上限制了催化剂的利用效率。如何在降低贵金属铱载量的同时，进一步提升电极性能和稳定性，是当前PEM电解水制氢走向大规模应用的核心挑战之一。来自田纳西大学、Nel Hydrogen和橡树岭国家实验室的研究团队在《Applied Catalysis B: Environmental》上发表研究，提出了一种无离聚物的多孔铱纳米片（IrNS）集成电极设计，通过简化的低温化学合成策略，实现了催化剂利用率、导电性和传质性能的协同优化，在超低铱载量下展现出卓越的电解性能。

核心创新：无离聚物+纳米多孔结构的一体化电极设计

传统PEM电解槽阳极多采用CCM设计，存在传质阻力大、催化剂利用率低、制备工艺复杂等问题。本研究提出了一种全新的电极构型：

1.无离聚物设计：直接在薄层钛液/气扩散层（TT-LGDL）上沉积多孔铱纳米片（IrNS），彻底摒弃离聚物的使用。这不仅简化了电极制备流程，还消除了离聚物对催化剂活性位点的包覆和传质阻碍，显著提高了催化剂的利用率。

2.多孔铱纳米片结构：通过低温化学合成法在TT-LGDL表面生长的IrNS具有丰富的边缘暴露位点和发达的纳米孔道，极大增加了电化学活性面积，同时提供了优异的电子导电性。

3.多功能薄层钛基底层：TT-LGDL作为基底，兼具集流体、气体/液体扩散层和催化剂载体三重功能，相比传统三维多孔传输层（PTL），大幅降低了欧姆损失和传质损失。

关键性能：刷新高电流密度下的电解效率

得益于上述结构优势，该无离聚物IrNS电极在PEM电解槽中展现出令人瞩目的性能：

l超低铱载量下的高效率：在催化剂载量低至0.3 mgIr/cm²的情况下，采用Nafion 212薄膜（~50 µm）的电解槽在1.78 V电压下即可达到6000 mA/cm²的极高电流密度；在3000 mA/cm²时，电压仅需1.65 V。与传统CCM电极相比，其质量比电流密度提升了约10倍。

l优异的稳定性：在高达5000 mA/cm²的超高电流密度下长时间运行，电极性能保持稳定，展现出在工业级工况下的应用潜力。

图文信息：

图一、无离聚物IrNS电极的合成示意图

图二、无离聚物IrNS电极在PEM电解槽内性能和稳定性测试图

科学意义：为低载量贵金属电极设计提供新范式

本研究不仅开发了一款高性能的PEM电解水阳极电极，更重要的是展示了一种简化的、可规模化的一体化电极设计思路：

l离聚物并非必需：通过优化催化剂本征活性和电极结构，完全可以在无离聚物条件下实现高效的质子传导和反应传质，避免了离聚物带来的界面问题和制备复杂性。

l结构决定性能：纳米多孔形貌与薄层基底的结合，实现了活性位点暴露、电子传导和气泡脱附的协同优化，为高电流密度下稳定运行提供了结构基础。

l普适性设计理念：这种无离聚物纳米结构电极的设计策略，可推广至其他需要高电流密度运行的固态电解质电化学转化器件（如CO₂电解、燃料电池等）。

结论与展望

这项研究通过巧妙的电极结构设计，在降低贵金属载量的同时，显著提升了PEM电解水制氢的性能和稳定性，为低成本、高效率绿氢生产技术的开发提供了重要参考。未来，结合更先进的纳米结构催化剂和进一步优化的基底设计，有望在更低载量下实现更优异的电解性能，加速PEM电解技术的商业化进程。

文献信息

论文题目：Ionomer-free nanoporous iridium nanosheet electrodes with boosted performance and catalyst utilization for high-efficiency water electrolyzers

原文出处：Applied Catalysis B: Environmental, Volume 341, February 2024, 123298

DOI：10.1016/j.apcatb.2023.123298

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123298

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