研 究 背 景

质子交换膜水电解（PEMWE）具有电流密度高、动态响应快、产氢纯度高等优势，是可再生电力制取绿氢的重要技术路线。然而，阳极酸性析氧反应长期依赖铱基催化剂，而铱资源稀缺、价格昂贵，使降低铱用量成为PEMWE规模化发展的关键。随着阳极铱载量进一步降低，传统“催化剂+离聚物”催化层中的结构问题会被显著放大：离聚物本身电子绝缘且易发生局部富集，会包覆或桥联稀疏的IrO₂颗粒，造成催化剂团聚、电子通路中断和有效活性位损失；同时，低载量催化层与质子交换膜之间的物理接触有限，在长期电化学与机械应力作用下也更易发生界面失效。如何在不依赖阳极离聚物的情况下，同时保障电子传输、质子/水传输和界面机械稳定性，是低铱PEMWE膜电极设计面临的核心问题。

成 果 介 绍

针对上述问题，重庆大学李俊教授、朱贤青副教授研究团队提出了一种快速焦耳热构筑的无离聚物阳极催化层（ionomer-free ACL）策略。研究首先采用不含Nafion离聚物的IrO₂浆料在质子交换膜表面形成催化层，随后通过秒级焦耳热处理，使膜表层发生局域、短时软化，并将部分IrO₂纳米颗粒机械锚定于膜表面。该非平衡界面构筑过程形成了约0.7 μm厚、致密且无明显裂纹的超薄阳极催化层，同时避免了传统离聚物引发的催化剂团聚和电子绝缘问题。

多尺度表征显示，该无离聚物膜电极（MEA-J）的阳极催化层厚度较传统MEA降低约42%，FIB-SEM三维重构得到的有效电子连通率由34.5%提升至96.9%；液相AFM进一步表明，传统MEA中存在明显的离聚物富集区域，而MEA-J表面呈现更均一的催化剂特征。与此同时，TEM、HRTEM、SAED、XRD和XPS结果表明，快速焦耳热过程未对IrO₂的晶体结构、物相和表面氧化态造成明显不利影响。

在0.2 mgIr·cm^-2的阳极低铱载量下，MEA-J在2.0 V时实现3.1 A·cm^-2的电流密度，高于传统MEA的2.6 A·cm^-2；当铱载量进一步降低至0.06 mgIr·cm^-2时，MEA-J仍可达到2.2 A·cm^-2，而对应传统MEA仅为1.0 A·cm^-2。更重要的是，MEA-J在1 A·cm^-2下连续运行超过2200 h，电压衰减速率仅为5.1 μV·h^-1。研究进一步利用格子Boltzmann模拟揭示，在无离聚物超薄催化层中，IrO₂表面及其与膜的互锁界面可以形成连续、贴合的超薄水膜，为质子和水提供有效传输通道，从而在消除离聚物电子/传质阻碍的同时维持高效质子输运。该工作为低贵金属PEMWE膜电极提供了一种从“离聚物优化”转向“无离聚物界面架构”的设计思路。

研 究 亮 点

1.提出快速焦耳热无离聚物阳极催化层构筑策略：通过局域快速加热与淬冷，使IrO₂颗粒部分嵌入质子交换膜表层，构建机械锚定的PEM/ACL界面。

2.同时改善电子连通与界面稳定性：无离聚物结构避免催化剂被绝缘聚合物包覆或桥联，形成约0.7 μm的超薄致密催化层，并将有效电子连通率由34.5%提升至96.9%。

3.以连续超薄水膜替代传统离聚物承担局部质子/水输运：格子Boltzmann模拟表明，MEA-J中更高且更均匀的液态水分布可形成连续的水介导质子传输通道。

4.在超低铱载量下兼顾高性能与长寿命：0.2 mgIr·cm^-2下达到3.1 A·cm^-2@2.0 V，并在1 A·cm^-2下稳定运行超过2200 h，电压衰减速率为5.1 μV·h^-1。

图 文 解 析

图1 传统含离聚物阳极催化层与焦耳热无离聚物阳极催化层的构筑及传输路径示意图

图1展示了两种膜电极构筑逻辑的根本差异。传统方法中，离聚物在催化剂颗粒间形成包覆与桥联，易导致催化剂颗粒局部团聚，并打断电子与质子传输通路；新方法采用无离聚物IrO₂浆料，并通过焦耳热将催化剂快速锚定在PEM表层，从结构上缩短电子、质子和水的传输距离。

图2 传统MEA与MEA-J的表面和截面形貌

传统MEA表面可观察到明显的微米级IrO₂团聚，而MEA-J表面更加平整、致密和均一。截面SEM显示，传统ACL厚度约1.2 μm，MEA-J则降至约0.7 μm，并形成更为弥散、互锁的PEM/ACL界面，体现出快速焦耳热诱导的局域界面重构。

图3 FIB-SEM重构得到的电子连通率及比表面积对比

三维结构定量结果显示，MEA-J的有效电子连通率达到96.9%，显著高于传统MEA的34.5%。这一连续催化剂网络有利于降低阳极催化层内部以及ACL/PTL界面的电子传输损失。

图4 液相AFM粘附力映射揭示传统MEA与MEA-J中的离聚物分布差异

液相AFM从真实水环境下进一步观察界面组成。传统MEA催化层中可见明显的高粘附力区域，对应离聚物富集与团聚；MEA-J表面则以低粘附力、较均一的催化剂区域为主，为更多活性位暴露和界面传输提供了结构基础。

图5 MEA与MEA-J的电压损失、CV、耐久性及综合性能对比

电化学结果表明，MEA-J在低铱条件下表现出更低的动力学与欧姆损失，并在1 A·cm^-2下实现超过2200 h的稳定运行，电压衰减速率仅5.1 μV·h^-1。论文同时给出了质量活性与已有工作的对比，进一步体现了无离聚物催化层对贵金属利用效率的提升。

图6 格子Boltzmann模拟揭示传统与无离聚物阳极催化层中的水分布和质子传输

模拟结果显示，传统含离聚物ACL中的水分布更低且不均匀，容易形成局部质子传输“断点”；MEA-J中则可在IrO₂表面和互锁PEM界面形成更连续、更均匀的超薄水膜，使水介导的质子传输成为无离聚物催化层保持高性能的重要机制。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Strongly-Anchored Ionomer-Free Anode Catalyst Layer Fabricated via Joule Heating Achieves Efficient Electron/Mass Transfer for Acidic Water Electrolysis

文章研究方向：

电催化— —质子交换膜水电解（PEMWE）；析氧反应（OER）；膜电极组件（MEA）；低铱阳极催化层；界面工程

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70330

DOI: 10.1002/cey2.70330

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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