传统PEM电解槽阳极催化剂层，由分散在离聚物（离子导电聚合物）网络中的催化剂构成，主要有两种构型：

催化剂涂覆膜（涂覆在膜上）与多孔传输电极（涂覆在PTL上），“膜电极”是二者的通用术语，可通过喷枪涂覆、

超声喷涂、刮刀涂布等方法将催化剂层涂覆到膜或PTL等基底上，构型与涂覆方法会影响催化剂层性质及电解池性能。

　　阳极环境呈高酸性（pH≈0）、高氧化性（>1.3V），催化剂需在此条件下保持稳定，目前仅限贵金属。钌虽

OER活性高但稳定性不足，铱成为主流选择，其中氧化铱（尤其无定形氧化铱）活性更高，不过耐久性低于晶体氧

化铱，且催化剂状态会随电解池电位变化或与氢气接触而改变，长期测试需监测其状态。

　　铱年开采量仅7.5吨（远低于铂的200吨），是PEM电解槽规模化瓶颈，降低阳极催化剂层铱用量是成本控制关键。

目前文献中铱载量已从>1mgIr·cm⁻²降至0.5mgIr·cm⁻²以下，但仍需突破：一是明确界面传输机制，二是识别降解模式，

三是保障大规模生产的质量控制。

　　一、催化剂利用率优化

　　低载量下实现高催化剂利用率，需先优化催化剂层内外传输过程：质子通过离聚物相传输至膜，电子依托铱颗粒

传导至PTL，液态水经PTL孔隙渗入催化剂层，氧气则反向排出。需注意，离聚物不导电，孤立或完全嵌入离聚物的

铱颗粒无法传导电子。

　　“三相边界”（PTL、催化剂、离聚物交汇处）是OER反应唯一发生地，低载量时铱颗粒连接网络少，未直接接触

PTL且无电连接的颗粒难以参与反应，三相边界缩小。此外，催化剂层因离聚物吸水溶胀进入PTL空隙（即“分层”），

会导致铱颗粒分散、连接性下降，电子传导性与利用率降低，低载量下该问题更突出。

　　当前优化策略有三类：一是用静电纺丝制备的铱纤维，桥接孤立铱颗粒；二是改变催化剂形貌，如通过镍–铱合金箔

电化学脱合金合成纳米多孔铱纳米片，构建连续导电结构（二者均较新颖）；三是使用催化剂载体（研究更广泛）。

　　二、催化剂载体应用

　　载体可增大催化剂比表面积，减少目标电流所需催化剂质量，降低载量潜力大，但核心难题是商用主流载体（如二

氧化钛）电子绝缘，会抵消催化剂分散性提升的优势。虽有研究通过掺杂或开发新型材料（如TaC、NbC等）寻求导电

载体，但均未通过长期耐久性测试验证。

　　1.材料选择

　　阳极严苛条件下，多数载体（如导电碳黑）热力学不稳定，稳定材料多为半导体金属氧化物，导电性存疑。新型载

体虽在部分测试中表现出潜力，但缺乏工业级电流密度（>1A·cm⁻²）下的低载量与耐久性数据，暂未普及。目前二氧化

钛载体在低载量、工业级电流密度下测试较多，其应用可追溯至尺寸稳定阳极技术，近年也有相关商用催化剂研究。

　　2.导电性与电子网络构建

　　二氧化钛电阻率高（纳米线形式达4000Ω·m以上，远高于PEMFC常用载体的0.4Ω·m）。虽有研究用还原态钛或

Magneli相钛氧化物（亚化学计量氧化物）改善导电性，且低载量下部分组合（如IrO₂/Ti）性能优于无载体IrO₂，但

这些载体在操作中的稳定性尚未明确。

　　IrOx导电性远优于二氧化钛，理论上核壳结构可实现完全导电与高IrOx利用率，但实践中难在二氧化钛上形成完

整IrOx薄膜，易出现电子绝缘的IrOx孤岛。因此需构建相互连接的IrOx网络，连接未直接接触PTL的催化剂颗粒，提升

导电性与利用率。

　　现有两种网络构建策略：一是优化催化剂层厚度，4–8μm为最佳范围（4μm保障面内电子导电性，8μm控制传质

过电势），厚度与铱载量呈线性正相关，不同催化剂达到该厚度的载量需求不同；二是开发核壳结构，部分研究显示

低载量核壳催化剂性能优于传统催化剂，且在多孔传输电极构型中，催化剂层导电性重要性低于催化剂涂覆膜构型。

　　总体而言，二氧化钛载体需依赖IrOx渗透网络才能提升利用率，目前已有低载量（<0.4mgIr·cm⁻²）下经数千小时测

试仍表现良好的案例，但仍需进一步研究IrOx通路构建，同时新型载体与掺杂二氧化钛需长期耐久性验证。

　　三、耐久性保障

　　降低铱载量需以不损害耐久性为前提，但目前仅6项MEA研究考察了载量≤0.4mgIr·cm⁻²时的铱耐久性，低载量系统

的降解机制与影响参数仍需明确。

　　1.降解机制与影响因素

　　工业级条件测试显示，超低载量CCM（0.08mgIr·cm⁻²）运行4500小时后铱损失达70%，多数研究也发现铱会随时间

溶解，再沉积于膜和阴极催化剂层。

　　加速降解的参数包括：一是开路电压条件（如启动/停机），会将晶体IrO₂还原为金属Ir，再氧化为稳定性差的无定形

IrOx，导致降解加快、性能下降；二是动态运行，电位循环（尤其是方波循环）、高循环频率、高上限电位，均会加速

降解；三是低载量，载量越低降解越明显，高载量催化剂层厚度可起到缓冲作用，延迟降解开始，相似厚度的不同载

量催化剂层耐久性相近。

　　2.标准化需求

　　需开发标准化加速方案（AST），缩短耐久性测试时间（无需数千小时），同时实现不同载量、形态、制造方法的

MEA性能对比，为下一代MEA研发提供支撑。

　　四、离聚物粘结剂作用

　　催化剂层中，离聚物粘结剂（仅指催化剂层内离聚物）影响反应位点暴露、质子/电子传导、反应物传输与产物移

除。商业MEA中，离聚物粘结剂与膜离聚物成分相同或相似，二者性能需求存在冲突（如膜需高电子电阻，粘结剂则

需低电子电阻），目前仍以相似离聚物为主，保障质子传导。

　　PEMWE可借鉴PEMFC的研究经验（如用离聚物粘结剂替代PTFE，使铂利用率提升、载量降低一个数量级），但

也需关注新构型（如蒸汽进料阳极、IrOx直接沉积于PTL）对离聚物选择的影响，其在大规模部署中的作用仍需深入研究。

　　五、MEA制造规模化

　　低载量催化剂层大规模生产需突破技术瓶颈：实验室常用的超声喷涂，因催化剂浆料固体含量低（<1wt%）、产

量低，不适合量产；更具可扩展性的刮刀涂布类技术（如棒涂、狭缝挤出涂布），需高固体含量（>5wt%）浆料，

低载量下易导致催化剂层不均。

　　后续需重点研究：一是明确实现均匀催化剂层的浆料关键参数；二是减少多孔传输电极制造中，浆料渗入PTL

孔隙导致的催化剂损失，这对减少铂族金属用量至关重要。

　　超声涂覆PEM电解槽阳极催化剂层

　　超声涂覆凭借超声波的独特作用，在阳极催化剂层制备中展现出不可替代的优势：

　　1.超高涂覆均匀性：利用超声波空化效应将催化剂浆料雾化成均匀液滴，涂层均匀度可达±5%，避免传统喷涂的

边缘厚度偏差（解决膜电极边缘性能衰减问题）；

　　2.精准参数可控：可精确调节涂层厚度（如非贵金属层20~200nm、贵金属层4~8μm）、催化剂载量（低至

0.01mg/cm²），适配不同阳极催化层结构设计；

　　3.低缺陷与高附着力：超声波振动减少涂层气泡、裂纹等缺陷，同时增强催化剂与基底（膜或PTL）的结合力，

避免高电流密度下涂层开裂或剥落；

　　4.高材料利用率：原料利用率可达95%，通过减少过度喷涂使催化剂浆料消耗降低50%以上，大幅降低贵金

属成本；

　　5.防膜溶胀设计：搭配真空加热系统，可固定质子交换膜（PEM）并控制其溶胀，避免涂覆过程中膜变形影

响催化层结构。