一、研究背景：被忽视的阳极催化层“死区”
质子交换膜水电解（PEMWE）是可再生能源制绿氢的核心路线之一，但其阳极铱基催化剂的利用率长期偏低。吉林大学邹晓新团队在《Nature Communications》发表的研究指出，铱基阳极催化剂的利用率普遍低于 30%，根源在于催化层（ACL）中存在大量电化学非活性的“死区”（dead zones）。
通过原位气泡演化可视化与原位电导率测量，团队证实：死区的本质是离子聚合物（ionomer）包裹并切断了 IrO₂ 纳米颗粒之间的导电网络，导致面内电子传输受限。这一失效模式与催化剂种类、载量、离聚物类型乃至操作条件无关，是一种普遍存在的现象，传统“催化剂+离聚物”一步混喷的工艺难辞其咎。
二、关键发现：63 S·m⁻¹ 的面内导电性阈值
研究团队用四点探针法对面内电子电导率进行系统量化，首次确立催化层激活的临界阈值。当离聚物/催化剂质量比（I/C）超过 10 wt% 时，反应被局限在多孔传输层（PTL）边缘，中间区域完全沦为死区。
- 🔬 传统一步层：IrO₂ 与离聚物混合墨水直接喷涂，绝缘离聚物隔断连续导电网络
- ⚙️ 顺序喷涂法：先喷无离聚物的纯 IrO₂ 导电骨架，再渗稀释 Nafion，解耦电子/离子功能
- 📊 约 77% 的活性提升来自面内死区激活，23% 来自边缘区域改善
三、性能跃升：低铱载量下的 31% 增益
在 0.25 mgIr·cm⁻² 超低铱载量、80℃、Nafion 115 膜条件下，顺序喷涂阳极在 2.0 V 下达到 4.2 A·cm⁻² 的电流密度，较传统一步法的 3.2 A·cm⁻² 提升约 31%；在 1.6 V 下电流密度提升更达 40%。即便是 Heraeus、YHKC、Energy Chemical 等商用 IrO₂，顺序喷涂同样带来 25–35% 的活性增益，证明该工艺具有普适性。
| 工艺 / 指标 | 传统一步喷涂 | 顺序喷涂 |
|---|---|---|
| 面内电导率（S·m⁻¹） | 30–50 | 120–150 |
| 2.0 V 电流密度（A·cm⁻²） | 3.2 | 4.2 |
| 相对活性提升 | 基准 | ≈31% |
| 2.0 A·cm⁻² 寿命 | <50 h 即失效 | 5250 h |
四、长寿命验证：从单电池到 2.1 kW 电堆
稳定性测试进一步印证了工艺价值。单电池在 0.25 mgIr·cm⁻² 下先以 1.0 A·cm⁻² 运行 3100 小时、再以 2.0 A·cm⁻² 运行 5250 小时，累计超过 8300 小时，电压衰减率低至 3.4 µV·h⁻¹（1 A·cm⁻²）与 12.4 µV·h⁻¹（2 A·cm⁻²）；而同载量传统层在 2.0 A·cm⁻² 下不到 50 小时即失效。
团队将工艺放大至 100 cm² 活性面积 CCM，并组装出 2.1 kW 六节 PEMWE 电堆：在 2.0 A·cm⁻² 下平均操作电压仅 1.75 V，稳定运行超 500 小时，平均衰减 60 µV·h⁻¹，验证了从材料到器件再到堆栈的可靠放大路径。
五、对膜电极制备与评测装备的启示
该研究从机理层面凸显了精密涂布与膜电极评测在 PEMWE 性能中的决定性作用——同样的催化剂材料，仅因涂布顺序不同，性能与寿命便天差地别。这对 MEA 量产工艺提出了更高要求：需要可精确控制“先导电骨架、后离子渗透”两步时序的涂布装备，以及能定量表征面内导电性与死区分布的测试手段。
- 🧪 催化剂浆料制备：超声分散机、搅拌研磨机保障墨水粒径均一，是顺序喷涂的前提
- 🖌️ 超声喷涂机：实现无离聚物层与离聚物层的精准分步涂布，复现论文工艺
- 🔧 膜电极测试夹具 / MEA膜电极测试夹具：定量评测面内导电性与长周期衰减
- 📈 PEM电解水测试台：在单电池与电堆尺度验证 4.2 A·cm⁻² 级性能与稳定性
六、参考来源
本文引用的外部研究论文：
Z. Zhao, X. Liang, N. Lin, et al. Activating in-plane dead zones of anode catalyst layers in proton exchange membrane water electrolyzers. Nature Communications, 2026, 17, 8211. DOI：10.1038/s41467-026-75223-1.
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