在与传统电力的竞争中，可再生电力日益具备优势，推动了将其转化为高价值燃料和化学品的技术需求。质子交换膜水电解（PEMWE）因其能够将可再生电能高效转化为高纯度氢气的优势，成为实现绿氢生产的重要技术。然而，由于铱的稀缺和价格高昂，当前PEMWE阳极所用的铱基催化剂（通常为金红石相氧化铱）在大规模应用上面临挑战。因此，开发新型铱基催化剂，在保持高催化性能的同时减少膜电极组件（MEA）中的铱负载量，对于PEMWE的广泛应用至关重要。

近年来，即使科研工作者开发的诸多新型催化剂（例如，纳米合金、多金属氧化物、铱酸盐以及负载型催化剂）在液体电解质半电解池中表现出比金红石相氧化铱更高的催化活性，但其报道的高本征催化活性却很少能转化为MEA中的高性能。性能转化的失败主要归因于理想化的三电极测试条件与更复杂的MEA运行环境之间的差异。例如，MEA的催化性能测试是在安培级电流密度（通常为1-3 A/cm²）下进行的。在这种情况下，阳极催化层内的质量传输限制可能会掩盖阳极催化剂的内在活性，同时催化层与多孔传输层之间的界面接触电阻问题也不能忽视。因此，除了催化剂设计本身外，还需要在MEA水平上进一步考虑如何在低铱负载的情况下实现高性能，主要包括：实现催化层局部铱活性位点的效能最大化，促进催化层内的物质传输，优化催化层相关的欧姆阻抗。

针对上述问题，邹晓新教授课题组近期低温合成了一种具有蜂窝层状晶体结构的氧化铱泡沫片（H-IrOxFPs），并发展了基于该材料作为阳极催化剂的低成本、高性能MEA构建方法。研究结果表明，H-IrOxFPs具备从原子到微观尺度的多层次结构优势，能够实现质子交换膜电解槽阳极催化层的优化（如图1所示）。具体而言，IrO6蜂窝状晶体结构框架与泡沫状形貌的结合有利于高效的铱催化活性位点的暴露，而泡沫状与片状两种形貌特点的结合则促进了连续催化层的形成，使其具有丰富的物质传输通道和较小的催化层相关电子阻抗。因此，低铱负载MEA能够在低电压下实现安培级电流密度（如3 A/cm²@1.94 V@80 °C），并在超过2000小时的高催化性能下保持稳定，展现了较好的应用潜力。这一研究不仅开发了一种能够降低贵金属铱用量的新型催化剂，还为未来阳极催化剂的多尺度结构设计提供了新思路。相关研究成果已发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》杂志上(Angew.Chem.Int.Ed.2024, DOI:10.1002/anie.202415032）。

图1 H-IrOx FPs基阳极催化层多级结构优化示意图。