PEM电解水制氢阳极析氧贵金属催化剂的研究进展

奚金燕¹ ✉ 甘俊¹高世鑫¹张潇¹唐玲¹刘锋¹ ✉

云南贵金属实验室有限公司，云南昆明 650106

摘要： 质子交换膜（PEM）电解水制氢技术非常适应可再生能源（如风能、太阳能等）发电的波动性，被认为是极具发展前景的可持续发展的制氢技术。目前，PEM电解水制氢技术发展的研究重点主要在于减少贵金属的用量、提高电解槽的能源转换效率和延长使用寿命。阳极析氧反应（OER）作为电解水反应速率控制步骤，阳极催化剂的活性、稳定性以及成本成为制约PEM电解水制氢大规模发展的重要因素。因此，寻求能够同时降低催化剂成本和提高催化剂性能的有效方法迫在眉睫。为进一步降低贵金属的载量和提高催化剂性能，本文综述了高效阳极析氧贵金属电催化剂制备的最新研究进展，主要包括合金化及杂原子掺杂型、纳米结构化以及负载型催化剂。最后，对低贵金属载量高性能PEM电解水析氧催化剂未来的发展提出了展望。

关键词： 质子交换膜（PEM）电解水；制氢技术；析氧反应（OER）；电解槽；电催化剂

基金： 云南贵金属实验室科技计划项目(YPML-2022050234,YPML-2023050233)

收稿日期： 2023-08-03

可再生能源的加速发展使得大规模消纳可再生能源成为突出问题。化石能源的燃烧释放了大量的二氧化碳气体，引起全球温室效应的发生，造成了日益严重的环境问题^［1］。因此，开发可再生能源成为解决能源和环境问题的重要途径。氢气（H₂）是一种理想的清洁可再生能源，它作为能量载体，具有高质量能量密度、燃烧产物零污染、可再生等优点，是一种很有发展前景的化石能源替代品^［2–3］。目前，主流电解水制氢技术包括碱性（ALK）水电解、质子交换膜（PEM）水电解、高温固体氧化物水电解（SOEC）和固体聚合物阴离子交换膜（AEM）水电解4种。其中，ALK是最早开展的电解水制氢技术之一，其发展成熟，投资、运行成本低，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高、能源效率低、运维成本高等问题。SOEC在高温下运行，制氢系统电化学性能显著提升、效率更高，但高温也制约着该技术的推广应用，因此，SOEC还在初期示范阶段。AEM作为最新的电解水技术之一，其潜力在于将碱性电解槽的低成本与PEM的简单、高效相结合。但阴离子交换膜量产难度大，目前仍处于研发阶段，而质子交换膜水电解（PEMWE）作为一种通过电化学水分解将电能直接转化为燃料的绿色、可持续的技术，具备将大量可再生能源电力转移到难以深度脱碳工业部门的潜力，且能够实现更高的质子导电性、电解效率、响应速度以及产物气体分离能力，非常适应可再生能源（如风能、太阳能等）发电的波动性，是当下主流也是极具发展前景的电解水制氢技术，这对于实现“双碳”目标具有重要意义，目前已引起广泛关注^［4–7］。

PEM电解水制氢阳极析氧反应（OER）是四电子转移的复杂反应，其中复杂的多步质子耦合电子转移过程会导致缓慢的动力学^［7–9］，进而造成较高的析氧过电位（η），而较高的过电位会导致较大的效率损失^［10］，因此，阳极的析氧反应作为决速步骤决定了PEM电解水制氢的效率。提高PEM电解水制氢的效率，关键在于提高电解槽催化剂的性能。因此，开发具有较少贵金属含量的高效催化剂迫在眉睫。

在酸性PEMWE中，IrO₂和RuO₂被认为是当前催化活性较好的OER催化剂^［11］。一方面在使用贵金属催化剂尤其是其氧化物形式时，使得催化剂材料在高电位条件下不容易被进一步氧化，因此，可以获得更高的OER效率^［12］。另一方面，阳极析氧电催化剂处于强酸性工作环境，易发生腐蚀、团聚、流失等问题。为保证电解槽性能和寿命，阳极析氧电催化剂只能选用抗氧化、耐腐蚀的Ir，Ru等少数贵金属或其氧化物作为催化剂材料。然而，高成本和稳定性以及有限的催化活性极大地限制了它们的商业化应用。因此，当前主要的挑战是如何在不影响催化性能的前提下，开发具有较少贵金属含量和较高本征活性以及较高稳定性的高效催化剂，最大限度地降低贵金属催化剂的成本，从而加快PEM电解水制氢的商业化进程。本文从贵金属减量化、降低析氧过电位及提高催化剂寿命等方面出发，综述了近几年国内外PEM电解水制氢阳极析氧贵金属催化剂的最新研究进展，主要通过合金化及杂原子掺杂型、催化剂纳米结构化以及负载型催化剂等策略来提高催化剂稳定性和活性，从而降低PEM电解水制氢技术的成本，并对低载量高性能PEM电解水析氧催化剂未来的发展方向提出了展望。

1 合金化及杂原子掺杂型催化剂

为了降低贵金属催化剂载量，同时提高催化剂活性位点的本征活性，合理地将其他原子引入贵金属体系，从而改变催化材料的电子或几何结构，是提升材料催化活性的有效方式之一。主要采用将Ru或Ir及其氧化物与一些过渡金属（如Cu，Fe，Ni，Co，W，Cr等）进行合金化或掺杂的策略^{［13–19］}，以此开发具有低载量、高活性和高耐久性的OER催化剂。

由于金属合金化可以调节活性位点和电子结构，从而影响活性位点与反应中间体的结合能，有助于提高催化剂性能。Lim等^［20］通过一锅法合成了Ir-Ni双金属纳米粒子并用于析氧反应，如图1所示，与Ir纳米粒子相比，获得的Ir-Ni双金属纳米粒子表现出显著增强的质量活性和耐久性。Yao等^［21］将不同的PtCu合金通过连续酸蚀和电化学浸出构建了一系列合金负载的Ru₁催化剂，电化学测试结果显示Ru₁-Pt₃Cu催化剂具有最佳性能，在10 mA·cm⁻²的电流密度下仅有90 mV的过电位，并且寿命比商业RuO₂长一个数量级。密度泛函理论（DFT）研究结果进一步表明，Pt_skin壳的压缩应变改变了Ru₁的电子结构，从而优化了氧物质的结合并且更好地防止金属过度氧化和溶解。Corona-Guinto等^［22］使用化学还原法合成了RuIrCoO_x氧化物粉末，结果表明，采用化学还原法制备的RuIrCoO_x比市售的IrRuO_x具有更高的活性和稳定性，且生产43 cm³·h⁻¹氢气的电流效率高达94%。Seitz等^［23］合成了一种氧化铱/氧化锶铱（IrO_x/SrIrO₃）催化剂，该催化剂是在电化学测试过程中通过从SrIrO₃薄膜表面层浸出锶而形成的，在酸性电解质中连续测试30 h后，在10 mA·cm⁻²的电流密度下过电位仅为270~290 mV，并且具有优异的稳定性。总的来说，在PEM水电解中，合金化不仅能够最大限度地减少贵金属使用量，还能优化金属位点的几何结构和电子结构，有利于提高活性和选择性，在OER测试中表现出优异的催化活性和耐久性。

图1 负载在炭黑上的Ir基催化剂的线性扫描伏安（LSV）曲线及在1 mA·cm⁻²的恒定电流密度下的计时电位曲线

Fig.1 （a）LSV curves of various Ir-based catalysts supported on carbon black；（b）Chronopotentiometry curves at constant current density of 1 mA·cm⁻² for various Ir-based catalysts^［20］

除了合金化之外，杂原子掺杂型催化剂也受到越来越多研究者的关注。这是因为杂原子掺杂在调节电子结构和优化催化剂的固有活性方面起了显著的作用。Su等^［24］通过对Ru交换的Cu-BTC衍生物进行退火，制备出由超小纳米晶体组成的Cu掺杂RuO₂中空多孔多面体，以此优化催化材料表面结构和改变电子结构。电化学性能结果表明，经过退火的Cu掺杂RuO₂具有优异的OER性能，在10 mA·cm⁻²的电流密度下具有188 mV的较低过电位。通过DFT计算进一步证明，具有高度不配位的Ru位点的高指数表面可以有效降低OER的过电势。而Sun等^［25］采用Cu掺杂IrO₂的方法来调节Ir-5d电子的d轨道分布从而增强OER催化活性。如图2所示，引入IrO₂晶格的Cu改变了IrO₂晶格参数，并在晶格中引起部分氧缺陷，从而改变IrO₆的八面体几何结构，并提高了t_2g和e_g轨道的简并性。实验结果显示该催化剂在酸性、中性和碱性溶液中的OER活性均有显著提高。

图2 IrO₂及Cu掺杂IrO₂材料的态密度图和偏态密度图及ab平面示意图

Fig.2 (a) Densities of states for IrO₂，Cu_0.1Ir_0.9O_δ and Cu_0.3Ir_0.7O_δ (color regions being marked by Greek letters)； (b) Partial densities of states for IrO₂，Cu_0.1Ir_0.9O_δ and Cu_0.3Ir_0.7O_δ； (c) Schematic lattice diagram in plane ab of IrO₂ (left) and substituted by Cu (right) (top row showing Ir-5d orbitals degeneracy of IrO₂ (left) and lift degeneracy and electrons redistribution by doping Cu)^［25］

除了Cu元素以外，其他金属元素如Fe，Ni，Co，W，Cr，Nb^{［26–30］}等过渡金属元素的掺杂效应也被进一步探究。Sun等利用单分散的高价难溶过渡金属铌掺杂氧化钌以提升电解水析氧性能。一方面，铌的掺杂增强了钌位点对含氧中间体的吸附，降低了Nb_0.1Ru_0.9O₂析氧反应速控步骤（*O+H₂O→*OOH+H⁺+e⁻）的能垒，提升了析氧活性。另一方面，铌与氧的强相互作用能够稳定氧化钌中的晶格氧，从而防止Ru位点在高电流密度下的过度氧化，最终提升氧化钌在大电流密度下的析氧稳定性。电化学性能测试表明制备的Nb_0.1Ru_0.9O₂具有极佳的析氧催化活性，在10 mA·cm⁻²的电流密度下具有204 mV的析氧过电位，并且具有47.9 mV·dec⁻¹的低塔菲尔斜率，优于大部分目前报道的钌基析氧催化剂。同时，Nb_0.1Ru_0.9O₂在200 mA·cm⁻²下经过360 h的稳定性测试后具有超低的衰减率（25 μV·h⁻¹）^［26］。而Wang和Qi^［31］通过原位转化制备得到具有独特结构的钌-钴氧化物（（Ru-Co）O_x）中空纳米片阵列，（Ru-Co）O_x纳米片阵列可以暴露更多的活性位点，同时具有组成和结构优势、优化的电子结构和界面协同效应。实验结果表明，该纳米片阵列具有优异的电催化活性，在10 mA·cm⁻²时过电位仅为171.2 mV。

2 纳米结构化催化剂

由于优异的纳米结构可以显著提高材料的表面积和贵金属材料的利用率，增加催化材料的活性位点，以及改善电子和质子传输等。因此，近年来，很多研究通过对催化剂的尺寸、形状、组成和结构进行合理调控和设计，以增强其电催化性能。主要包括一维（1D）的纳米线、纳米棒、纳米管、纳米针及核壳结构，二维（2D）的纳米片，三维（3D）的框架结构等^{［32–36］}。例如，Wang等^［37］通过共晶定向自模板策略制备了一系列具有低Ir含量的IrM（M=Ni，Co，Fe）多孔纳米线催化剂，在共晶反应和脱合金效应的控制下，IrM催化剂呈现出由相互缠绕的多孔纳米线组成的独特网络结构。其中IrNi具有极佳活性，在10 mA·cm⁻²下，具有199 mV的极低的OER过电位。与商业IrO₂和大多数极先进的Ir基酸性催化剂相比，其OER性能有了显著提升。Lim等^［38］采用改进熔盐法，经过高温煅烧合成了一维超细纳米针IrO₂。与传统纳米粒子相比，超细IrO₂纳米针的OER活性和耐久性显著提高。在单个PEM水电解槽中作为阳极测试时，与IrO₂纳米颗粒相比，它具有更高的效率和耐久性，在2 A·cm⁻²的高电流密度下可以稳定运行200 h以上。

相比于纳米线、纳米针等催化剂，核壳结构催化剂由于其独特的结构特性，可以让大多数贵金属原子暴露在表面上，同时，其独特的物理化学性质有利于调节内在催化活性和稳定性，能够有效降低贵金属含量，被广泛应用于电催化剂的设计。Lv等^［39］设计并制备了一种自组装的RuO₂@IrO_x核壳异质结构纳米复合材料，以调节析氧活性和耐久性。通过增强RuO₂和IrO_x之间异质结的协同相互作用，RuO₂@IrO_x纳米复合材料显示出比RuO₂（60 mV@10 mA·cm⁻²）和IrO₂（16 mV@10 mA·cm⁻²）更低的过电位（215 mV@10 mA·cm⁻²）。此外，由于IrO_x壳层的有效保护，RuO₂@IrO_x在1 A·cm⁻²的300 h稳定性测试中表现出良好的稳定性。Wang等^［40］合成了具有Au核和AuIr₂合金壳（Au@AuIr₂）的核壳结构纳米粒子（NPs），Au@AuIr₂的OER催化活性比商业Ir催化剂高4.6倍，质量比活性高5.6倍。Zhu等^［41］通过引入KBr来减缓Ir（Ⅲ）前驱体的还原，从而促进表面扩散，将Ir的逐层生长延续至4个原子层。准确合成了不同Ir原子层厚度的Pd@Ir_n_L（n：Ir原子层的数量）核壳纳米立方体，这种原子级控制有助于优化Pd@Ir_n_L纳米立方体在酸性介质中的质量活性和稳定性。通过图3电化学测试结果可以发现，在这些样品中，Pd@Ir_3L纳米立方体具有最佳的活性和稳定性。在10 mA·cm⁻²处的过电位为263 mV，在η=300 mV时的质量活性为3.33 A·mg_Ir⁻¹。将Pd@Ir_3L/C的质量活性与已报道的Ir基核壳OER催化剂在酸性介质中的质量活性进行比较发现，Pd@Ir_3L/C催化剂的性能优于文献报道的其他的Ir基核壳型催化剂，且明显优于商用Ir/C催化剂^{［42–46］}。因此，在原子尺度构建精确的纳米结构，以优化材料本征活性和增加活性位点的数量，是贵金属纳米催化剂实用化的关键一步。

图3 Pd@Ir_n_L/C和商用Ir/C催化剂的LSV曲线、10 mA·cm_geo⁻²下的η值以及η=300 mV下的比活性和质量活性；Pd@Ir_3L/C与文献报道的Ir基核−壳催化剂的质量活性比较；Pd@Ir_n_L/C和商用Ir/C催化剂的塔菲尔斜率图及Ir原子层数与Pd@Ir_n_L/C的塔菲尔斜率之间的关系图

Fig.3 （a）LSV curves of，（b）η values at 10 mA·cm_geo⁻² and （c）specific and mass activities at η=300 mV of Pd@Ir_n_L/C and commercial Ir/C catalysts；（d）Mass activity of Pd@Ir_3L/C compared with those of Ir-based core-shell catalysts reported in literature；（e）Tafel plots of Pd@Ir_n_L/C and commercial Ir/C catalysts；（f）Relationship between number of Ir atomic layers and Tafel slopes of Pd@Ir_n_L/C^［41］

与1D纳米结构相比，超薄2D纳米结构具有许多独特的优势。从结构上看，超薄2D纳米结构可以提供大量的不饱和配位键，且极薄的层厚度可以提高催化剂比表面积，暴露更多的催化活性位点，从而可以有效提高催化材料的电化学性能^{［47–50］}。基于这些优点，作为OER催化剂的2D超细超薄纳米结构受到了更多的关注。Zhao等^［51］采用熔盐法制备了超薄RuO₂纳米片（RuO₂ NSs），如图4所示，所制备的RuO₂纳米粒子片具有丰富的缺陷位，厚度为1~2 nm，其OER性能为199 mV@10 mA·cm⁻² （Ru载量仅为0.125 μg·cm⁻²），相比于商用RuO₂纳米颗粒，其电催化性能均有大幅提升。DFT结果表明，独特的缺陷结构能显著提升催化剂性能，同时超薄RuO₂ NSs上的Ru空位显著提高了OER活性。Yamauchi等则采用一种新型的合成策略制备了一种二维介孔金属铱（Ir）纳米片，通过该合成方式使催化剂具有丰富的催化活性位点，与市售催化剂相比，介孔金属铱纳米片在酸性溶液中表现出较高的OER催化活性^［52］。

图4 RuO₂ NSs的制备过程示意图、不同放大倍数扫描透射电子显微镜（STEM）图像、原子力显微镜（AFM）图像和X射线衍射（XRD）图谱

Fig.4 （a）Schematic illustration for synthetical procedure of RuO₂ NSs；（b~d）STEM images of RuO₂ NSs with different magnifications；（e）AFM image of RuO₂ NSs （inset showing thickness of RuO₂ NSs）；（f）STEM image of RuO₂ NSs and corresponding element distribution of Ru and O；（g）XRD pattern of RuO₂ NSs^［51］

除此之外，3D纳米结构，尤其是框架结构，对于各种催化反应具有许多优势。一方面，金属有机框架（MOFs）材料具有超高的孔隙率、孔径、形态以及良好的晶体结构特征，因此表现出良好的电催化性能。另一方面，MOFs结构中存在高密度且均匀分散的催化活性中心，其自身的多孔结构又能为每个催化活性中心提供可接触性，因此在催化领域MOFs得到了广泛研究。Lin等^［53］通过使用Cr基MOF材料开发了一种不含铱、低钌含量的氧化物材料（Cr_0.6Ru_0.4O₂），在0.5 mol·L^-1 H₂SO₄溶液中，具有较低过电位（178 mV@10 mA·cm⁻²）和良好稳定性（恒定电流10 mA·cm⁻²的条件下，在10 h计时电位测试中保持良好的性能）。此外，DFT计算结果表明，Cr通过调整RuO₂相的电子结构，在提高稳定性和OER活性方面发挥着关键作用。Li等^［54］开发了一种微量原子级单分散Ru掺杂的NiRu_0.08-MOF作为高效的OER催化剂。如图5所示，采用水热法合成得到尺寸较为均匀的纳米棒NiRu_0.08-MOF催化剂，纳米棒宽度大约为100 nm且密集地负载于泡沫镍上。通过对NiRu_0.08-MOF进行高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）表征，STEM的元素分布图表明Ni，Ru，C，S，O元素在催化剂中均匀分布，进一步证明了催化剂的均匀分散。电化学性能结果显示，优化得到的NiRu_0.08-MOF表现出优异的OER性能，在10 mA·m⁻²的电流密度下仅有187 mV的过电位，其中Ru的质量活性是商用RuO₂的36倍，且该催化剂可以稳定连续工作300 h以上，具有优异的耐久性。

图5 NiRu_0.08-MOF的扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、HAADF-STEM图像以及对应能谱（EDS）结果

Fig.5 （a，b）SEM images with different magnifications，（c）TEM image，（d）HAADF-STEM image and corresponding EDS mappings of NiRu_0.08-MOF^［54］

3 负载型催化剂

除了对催化剂材料本身进行合金化及杂原子掺杂或是纳米结构调控外，载体稳定效应对于实现OER催化剂的高活性和稳定性亦具有重大意义。一方面，催化剂与载体之间的电子相互作用不仅可以稳定和分散活性位点，还能调整界面相互作用；另一方面，还能优化催化剂/载体的物理化学性能，包括负载量、活性比表面积、电子结构、耐腐蚀性能等。因此，载体的选择对于PEM电解槽至关重要^{［55–56］}。基于此，催化剂-载体的相互作用已在各种基材上进行了研究，例如碳基材料（碳、碳纳米管、石墨等）^{［57–58］}、泡沫镍、TiO_x^［59］、稳定性良好的过渡金属氧化物（CeO₂，SnO₂，TiO₂，Nb₂O₅，TaO₂，Ta₂O₅等）^{［60–64］}、改性的过渡金属氧化物（如Nb掺杂的TiO₂，Sb掺杂的SnO₂，In掺杂的SnO₂）^{［65–66］}以及某些氮化物^［67］、硼化物^［68］等。通过这些手段来提高OER电催化剂的稳定性，延长催化剂使用寿命、降低成本，促进PEM电解水制氢技术发展及其大规模商业化应用。Badam等^［69］利用简单水热法合成了一种碳纳米管（CNT）负载氧化铱的新型纳米颗粒催化剂（IrO₂/CNT）。将预氧化的COOH-CNT作为修饰IrO₂纳米颗粒的底物，COOH官能团作为成核位点，在不改变CNT结晶度的情况下来改善IrO₂的比表面积。通过表征发现，经过修饰的多壁CNT上IrO₂颗粒的平均粒径为1.7 nm，这种载体与纳米颗粒之间的强相互作用使得催化剂在硫酸溶液中表现出足够的OER活性和耐久性，在电流密度为10 mA·cm⁻²时获得260 mV的过电位。

与碳负载的催化剂（Ir⁴⁺）不同，Ir/IrO_x/ATO（Sb掺杂的SnO₂）体系显示出金属/金属-氧化物载体的相互作用（MMOSI）。该相互作用使金属颗粒稳定负载在掺锑的氧化锡（ATO）上，使其具有较低Ir氧化价态（Ir^3.2+），抑制了影响催化剂稳定性的高价Ir氧化物层的生长。Strasser等将IrO_x纳米颗粒负载在ATO气凝胶上，由图6的TEM图像可以看出，在ATO载体表面上形成均匀分布的Ir金属颗粒，粒径为3~5 nm。通过在强酸性（pH为1）条件下的恒电流测试结果表明，载体与催化剂的相互作用稳定了负载在ATO上的IrO_x颗粒并保护其不被进一步氧化，使得催化活性衰减缓慢，有助于提高OER性能^［70］。

图6 具有高表面积的掺锑氧化锡（ATO）和负载于ATO样品上的Ir纳米粒子的低分辨率TEM图像和能谱（EDX）结果及在ATO上负载Ir纳米粒子的高分辨率TEM图像

Fig.6 Low resolution TEM images of as prepared antimony doped tin oxide （ATO）with high surface area （inset being energy dispersive X-ray spectroscopy （EDX）pattern of ATO）（a）and Ir nanoparticles supported on ATO （inset being EDX pattern of Ir/ATO）（b）；（c）High resolution TEM image of Ir nanoparticles supported on ATO （inset representing corresponding facet of SnO₂ （110），Ir （111）and nanoparticle size distribution）^［70］

然而，即使对于ATO载体，在苛刻的酸性OER条件下也可能变得不稳定^［71］。因此，正确的载体应选择具有耐腐蚀和电子可调的能力。Li等^［72］将重点放在高价金属W上，以研究平衡酸性介质中OER活性和稳定性的催化剂-载体相互作用。通过在W₂B上连续选择性腐蚀，成功制备了一种具有深度约200 nm的IrW纳米通道层，可作为一种在酸性介质中具有优异OER电催化性能的双相W-Ir-B合金催化剂，在超高电流密度2 A·cm⁻²_geo（基于电极宏观面积的电流密度）下过电位仅为~497 mV，且在100 mA·cm⁻²_geo下稳定工作至少800 h。通过DFT计算，IrW纳米通道中存在较强的催化剂-载体相互作用，如图7所示，这种强相互作用可以改变表面Ir和O原子（即（IrO₂）_n团簇）的电荷分布，并限制（IrO₂）_n团簇的大小，且IrW载体可以稳定表面吸附的活性IrO₂团簇，有效阻止Ir原子与O原子聚集形成可溶的高价态化合物，从而防止Ir的溶解。

图7 吸附在IrW （002）表面的IrO₂团簇的电荷差分密度及结合能

Fig.7 （a）Computed differential charge density of IrO₂ cluster adsorbed to IrW （002）surface （yellow and blue bubbles representing positive and negative charges with an iso-value of 5 e·nm⁻³，respectively）； Optimized structures of （IrO₂）_n （n=1，2，and 4）clusters adsorbed to IrW （002）surface，respectively：（b）n=1，（c） n=2，（d）n=4^［72］

4 总结与展望

本文总结分析了近年来在降低贵金属载量和成本的同时提升和增强PEM电解水制氢阳极析氧贵金属催化剂活性和稳定性方面的研究进展，为未来催化剂的设计提供了丰富的理论和实际指导。可以看出，利用合金化及杂原子掺杂、纳米结构化和载体效应等多维度调控Ir基或Ru基纳米晶的精细结构，优化原子的配位和电子结构，可以大幅提高阳极析氧催化剂的OER活性和稳定性。

虽然以上策略可以有效提高催化剂OER性能，但仍有很多问题亟待解决。为此，需要合理设计OER电催化剂，以平衡阳极催化剂的活性和稳定性。受限于PEM水电解制氢的酸性环境、阳极高电位、良好导电性等因素，非贵金属催化剂或非金属催化剂的研发难度较大，预计一段时间内实际用于大规模电解槽的催化剂仍以Ir基和Ru基催化剂为主。在未来的工作中，对OER催化剂的研究主要集中在以下几个方面：1）通过功能性载体设计，利用多组元电子配位效应与多维结构外延效应，制备低成本高稳定的载体，增强催化剂的耐久性；2）通过表面掺杂、缺陷工程改性、结构调控（主要包括电子结构、几何结构和能带结构等）及原子重排等氧活化方法，加快反应动力学进程，提高催化剂本征活性和利用率；3）研究多维度Ir基或Ru基催化剂的应力效应、低配位效应、结晶度调控效应对性能的促进作用和机制，实现高稳定性催化剂的设计；4）深入理解催化剂的构效关系（如尺寸-活性、形貌-活性、组分-活性以及结构-活性之间的关系），设计并调控催化剂化学组成、晶体结构及表面形貌，优化表面活性位的数量和分布，从而开发具有高活性、高稳定性及高选择性的高效电解水催化剂。

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