Joule: 构建“纳米线上分级亚纳米片”催化层，提升性能

通过电解水生产高纯度的氢气(H2)为缓解能源危机和环境污染问题提供了一种可持续的方法。质子交换膜水电解(PEMWE)具有高的操作电流密度、快速启动和响应，以及容易与氢气储存集成等优点，引起了人们广泛的关注。铱(Ir)及生氧化物是有效的水电解催化剂，但其低储量和高昂的价格限制了它们的大规模应用。因此，通过改进Ir基催化剂的尺寸、形貌、组成和物相等重要结构参数，设计高效Ir基催化剂已成为当前研究的热点。
尽管如此，由Ir基催化剂组成的催化剂层(CLs)仍然表现出有限的性能，因为它们的面内导电性差、气体/水输送不足和机械稳定性差。这导致PEMWE的传统阳极CL需要具有相当高的Ir负载(1.5-2.0 mgIr cm−2)。因此，目前迫切需要开发新策略来提高催化剂的Ir利用率、活性和稳定性，但这仍然是一个巨大的挑战。

近日，北京大学郭少军和吕帆等将催化剂设计重点从传统的催化剂表面唯一调节转向CL的微观构型，并提出了CL中的“Pd纳米线结构上的分层次IrRu亚纳米片”设计，实现Ir负载量的大幅度降低(0.35 mgIr cm−2)，并进一步提升了PEMWE性能。
具体而言，这种分级的纳米结构确保催化剂不会紧密堆积，导致高度暴露的活性位点与有效的多相传输通道；此外，沿着高长径比纳米线组装的非晶态IrRu亚纳米片(s-NSs)具有快速的电子转移和与多孔传输层(PTL)良好接触的优点，使得集成的CLs具有低的阻抗。

采用设计的CL的PEM电解槽，在1.65 V槽电压、0.35 mgIr cm−2 Ir负载下，电流密度可达1.0 A cm−2；并在2.0 A cm−2的恒定电流密度下，它达到了70%LHV的高能量效率和连续运行240小时几乎没有性能损失，优于大多数文献报道的具有低Ir负载的PEMWE。
为了进一步说明其实用性，研究人员准备了一个更大的电解槽(25 cm2)，它在25.0/37.5 A电流下的产氢速率可达210/300 mL min-1。综上，该项工作突出了由多级纳米结构组成的CL在实际PEM电解槽中的优势，有助于推动PEMWE的进一步发展。

Mass-efficient catalyst layer of hierarchical sub-nanosheets on nanowire for practical proton exchange membrane electrolyzer. Joule, 2024. DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.002