EES：工程Ir基催化剂PEMWE高电流密度应用|ir|催化剂|纳米|组分|阳极|阴极

质子交换膜水电解槽（PEMWEs）在可再生能源的转化和储存方面具有广阔的应用前景。了解PEMWEs的性能和耐用性对于工程师和研究人员来说至关重要，他们的目标是提高该技术的市场采用率。尽管PEMWEs具有潜力，但由于在酸性环境中的高成本和耐久性问题，在大规模和长期部署中遇到了挑战。本文深入研究了析氧反应（OER）中PEMWE组分的活化和降解机制，强调了开发高效的PEMWE系统用于工业规模制氢的重要性。我们探索了酸性OER的工程Ir基催化剂的最新进展，确定了实际应用中存在的差距。详细概述了各种改性技术，如电子结构工程、形态工程和支持工程。此外，还讨论了催化剂涂覆方式对膜电极组装的关键影响。综述还涵盖了PEMWEs的性能退化，详细介绍了阳极催化剂、膜和双极板的退化来源。通过分析退化的原因和机制，我们强调了提高部件寿命的有效策略。此外，我们将重点扩展到在高电流密度下工作的PEMWEs的工业化。最后展望了尚未解决的挑战，为实现实用的PEMWE系统的未来研究提供了有希望的方向。

(a)电力发电系统的操作原则。(b)将IrO2与其他催化剂在OER应用中的活性和稳定性进行比较。(c)改进Ir基OER催化剂的策略主要集中在提高催化剂的内在活性、创新纳米结构和优化催化剂-载体相互作用。

(a)快速热解法制备GB-Ta0.1Tm0.1Ir0.8O2−δ纳米催化剂（上）与慢热解法制备无GB纳米催化剂（下）的对比示意图。(b)不同纳米催化剂的s值。(c)分析了施加应变和不施加应变时过电位与p带中心之间的相关性。(d)极化曲线显示了低催化剂负载MEA在3 A cm−2和80°C条件下运行1000 h前后的性能。(e)电解池中低催化剂负载MEA在1和3 A cm−2下的长期耐久性试验。(f)制备三维合金纳米多孔IrNi （DNP-IrNi）的示意图。(g) DNP-IrNi、HDNP-IrNi和IrOx的over - Tafel图。(h)单电池的极化曲线。

(a) npIrx-NS从催化剂到集流器的低电阻电子路径示意图。(b) Ni95Ir5在2 M H2SO4 + 0.5 M HCl中生成的npIrx-NS的扫描电镜图像。(c) 0.06 mgIr cm−2负极下npIrx-NS（红色）与TKK IrO2（黑色）的极化曲线。(d)用于OER的具有中孔和大孔的wp结构Ir薄膜示意图。(e)扫描电化学显微镜尖端记录的电流FFT振幅谱，显示更高的峰值频率对应更快的O2气泡形成和分离周期。(f) DLS分析光谱显示了WP和PWP催化剂产生的O2气泡的大小分布。(g)喷雾干燥和450°C煅烧后的合成过程示意图（扫描透射电镜图像）。(h)在80°C和常压下的极化曲线，显示0.5 mg cm−2 Pt/C阴极和2 mg cm−2 IrOx（蓝色）和1.8 mg cm−2 Ir0.7Ru0.3Ox（橙色）阳极在450°C下煅烧。

(a)使用50.8 μm厚的Nafion 212膜，在负载分别为0.4 mgIr cm - 2和0.5 mgIr cm - 2的情况下，IrO2@TiO2versus IrO2/TiO2的极化曲线。(b) IrO2@TiO2-based MEAs在0.5 mgIr cm - 2和2 A cm - 2下超过150 h的电压稳定性。(c)无支撑IrO2和IrO2/TNO-H750在1 A cm−2和80°c下的耐久性测试。(d) IrO2/TiO2、IrO2/TNO、IrO2/TNO- hx （x = 600、750、900）和未负载IrO2在0.1 A cm−2和80°C下的Nyquist图。附图显示了相应的等效电路模型。(e) Ir/Nb2O5−x结构示意图。(f)在80°C时使用Nafion 115膜的极化曲线。(g) IrOx、IrOx/Nb2O5 - x（无迁移）和IrOx/Nb2O5 - x（有迁移）上吸附物演化机理的吉布斯自由能图。(h)稳定电流密度下，Ir/Nb2O5−x的PEMWE计时电位曲线。(i)提出Ir在Ir/Nb2O5−x上过度氧化和回收的途径，包括氧的动态迁移。

(a)电炉堆结构和基本材料示意图。(b)膜上卷对卷直接CL涂层的工艺说明。(c) RSDT各组分及相应的液体输送系统示意图。(d) CCM、PTE型MEA和DMD-MEA技术的比较原理图。

(a) OER期间Ir溶解的拟议机制。(b) IrPourbaix图。(c)催化粒子长大机制。(d) OER中Ir基催化剂的载体。(e)阳离子杂质对PEMWE性能的影响。

(a) Nafion®聚合物结构自由基攻击机理综述。(b) MEA穿孔后图像。(c)在60°c和80°c不同电流密度下测试的阳极和阴极氟离子释放率。(d) CeO2的清除机制和Ce3+活性位点的再生。

优化PEM的厚度和传质过程，提高性能，降低成本。(a)不同输入功率下计算的最佳膜厚。(b) PEMWE单元的结构和紫色箭头所示的质量输运路径，其中突出了流道和PTL的影响。

PEMWE技术在可再生能源制氢中的优势。

(a) PEMWE关键材料研究。(b)过去十年铱的市场价格。(c) 1兆瓦电力发电系统的总成本细目。

推进PEMWE技术的未来方向和创新解决方案。

随着氢作为一种清洁、可再生的燃料和化工原料越来越重要，推进其可持续生产已成为一个主要的研究重点。在各种水电解技术中，PEMWE系统因其独特的优势而脱颖而出（图9）。本文首先综述了PEMWE关键组件的研究现状，包括阳极电催化剂、PEM和BPP，重点介绍了阳极电催化剂的最新进展。此外，我们还分析了催化剂涂层技术在PEMWE组装过程中的重要作用。尽管PEMWE技术取得了重大进展，但高组件成本和对恶劣操作条件的敏感性仍然是广泛采用PEMWE技术的主要障碍。本文将深入探讨这些挑战，解决诸如阳极催化剂降解、膜和机械故障、BPP和PTL腐蚀等问题，这些问题对于降低成本和提高系统耐久性至关重要。减少PEMWE的资本支出可以从多个方面实现。首先，降低阳极催化剂中的铱含量。常用的方法包括掺入掺杂元素和开发稳定的底物。第二，减少MEA上的催化剂载量。这通常需要较高的催化剂表面积，以确保更好的涂层均匀性和存在足够的反应活性位点。第三，增加电流密度以降低使用催化材料或PTL或BPP的面积以获得一定量的氢气。最后，通过对PEM中催化剂组成、微观结构、自由基清除剂的设计或改造，以及PTL和BPP涂层材料的开发，延长PEMWE的使用寿命。在此，简要介绍了未来应克服的一些关键挑战。

Engineering Ir-based catalysts for high current density applications in proton exchange membrane water electrolyzers - Energy & Environmental Science (RSC Publishing)