一、研究背景：PEM电解水的“铱”之困
质子交换膜电解水（PEMWE）凭借高电流密度、快速动态响应以及与风光等波动性可再生能源的良好耦合能力，被视为大规模绿氢制备的主流路线之一。然而，阳极析氧反应（OER）动力学迟缓，且长期依赖稀缺的铱（Ir）基催化剂，使得在超低载量下兼顾高活性与长寿命成为行业核心瓶颈。
传统铱基催化剂多遵循吸附质演化机制（AEM），受限于中间体吸附能的标度关系；转向晶格氧机制（LOM）虽可短期提升活性，却会加速铱溶解与结构衰退。氧化物路径机制（OPM）通过相邻双位点直接偶联形成 O–O 键，本可绕过上述限制，但它要求 Ir–Ir 间距稳定在 2.6–2.9 Å 的狭窄窗口，而酸性工况下铱表面会重构为约 3.15 Å 的 IrO₂ 结构，导致 OPM 难以稳定激活。
二、限域工程：锁定 2.68 Å 短程 Ir–Ir 双位点
针对这一难题，中国科学院上海高等研究院绿色氢能与高效储能团队提出限域工程策略：以层状共价有机框架（COF）为双重限域模板，先让 Ir³⁺ 进入孔道配位，再进入层间空间，经 400 ℃ 空气煅烧后原位重构为超薄孪晶 Ir–IrO₂ 异质界面。
多尺度结构表征（二维 XRD、AC-HAADF-STEM、EXAFS）证实，该界面成功将 Ir–Ir 间距收缩至约 2.68 Å，明显小于体相 IrO₂ 的约 3.15 Å，恰好落在 OPM 所需的几何窗口内，为激活新机制提供了关键结构基础。
- 🔬 双重限域：COF 孔道（1.71 nm）与层间（0.35 nm）协同调控 Ir 前驱体分布
- ⚙️ 孪晶界面：Ir(111)/IrO₂(200) 高密度异质界面，活性位点充分暴露
- 📊 定量解析：Ir 占 25.5%、IrO₂ 占 74.5%，两相共存且结构稳定
三、核心突破：氢键介导的氧化物路径机制（HB-OPM）
研究团队结合 TMA⁺ 分子探针、同位素 DEMS、原位 ATR-SEIRAS 与原位 X 射线吸收谱，构建了完整的证据链：TMA⁺ 实验排除 LOM 路径，DEMS 检测到明显的 ³⁶O₂ 信号（约 7%）证实表面 O–O 直接偶联，ATR-SEIRAS 观察到桥式 O–O 与线性超氧特征峰——均指向 OPM 路径。
DFT 计算进一步量化了氢键的作用：无氢键模型理论过电位高达 0.936 V，单氢键降至 0.462 V，而双氢键模型仅需 0.200 V，并借助电子对称离域缓解铱位点过氧化，从原子尺度印证了 HB-OPM 的合理性。
四、器件性能：低铱 PEM 电解水测试台实测
在真实的 PEMWE 器件中，该催化剂在阳极 Ir 载量仅 0.28 mgIr·cm⁻² 的条件下，于 65 ℃、超纯水体系中实现 1.71 V 达到 2 A·cm⁻²，并在 1 A·cm⁻² 下稳定运行超过 7500 小时，其中稳定期衰减率仅 3.5 mV·kh⁻¹，全面优于现有报道的 OPM 催化剂。
| 催化剂体系 | 酸性 OER 过电位@10 mA·cm⁻² | 质量活性 (mA·mgIr⁻¹) | PEMWE 稳定性 |
|---|---|---|---|
| Ir–IrO₂-3（本研究） | 282 mV | 125.6 | >7500 h @1 A·cm⁻² |
| 物理混合 Ir&IrO₂ | 高于本体系 | 11.8 | 明显缩短 |
| 商业 IrO₂ | 基准较高 | 约 11.8 | 中等 |
| Ir 黑 | 基准 | 约 28.0 | 有限 |
- ✅ 超低铱载量：0.28 mgIr·cm⁻²，逼近美国能源部降本目标
- ✅ 高活性：1.71 V @ 2 A·cm⁻²，质量活性达 Ir 黑的 4.5 倍
- ✅ 超长寿命：7500 小时稳定运行，衰减率仅 3.5 mV·kh⁻¹
五、产业意义：对评测装备的新需求
该成果不仅为低铱高稳定 PEM 阳极催化剂提供了可复制的界面工程范式，也凸显出PEM电解槽测试设备与MEA膜电极测试夹具在长周期、低载量、原位谱学联用等维度的验证能力短板。随着催化剂从“三电极评价”走向“器件级万小时验证”，对电解水制氢测试装备的精度、耐久与数据追溯提出更高要求。
合肥博格达氢能深耕 PEM/AEM 电解水制氢测试与 MEA膜电极制备产线，可为高校与科研院所提供从催化剂浆料制备、膜电极涂覆到电解槽长周期评测的全链条装备支撑，助力此类前沿成果的快速工程化转化。
“HB-OPM 机制的揭示，标志着酸性 OER 催化剂设计从单一活性位调控，迈向界面氢键与水结构调控的新阶段——而这正是下一代 PEM 电解水测试台必须跟上的验证能力。”
六、结语
从限域构筑短程 Ir–Ir 双位点到首次揭示 HB-OPM 机制，这项研究为低铱、高稳定 PEM 电解水技术打通了从材料到器件的关键证据链。面向产业落地，可靠的PEM电解水测试台、AEM电解槽测试系统与膜电极测试夹具将成为科研成果走向绿氢规模化的基石。（本文基于公开科研进展整理。）如需了解相关测试与制备装备，欢迎关注合肥博格达氢能的 PEM/AEM 电解水测试台与 MEA 膜电极制备产线。
