质子交换膜（PEM）电解水是绿氢制备的重要技术路线。然而，其阳极析氧反应依赖铱基贵金属催化剂，提高催化层中铱的利用率对于降低系统成本至关重要。当前广泛采用的催化剂涂覆膜（CCM，图1a）结构，是将氧化铱催化剂直接涂覆于质子交换膜表面。这种方法虽然便于规模化制造，但催化层中铱的实际利用率通常不足30%，大部分铱并未参与析氧反应，造成贵金属资源的极大浪费。这一问题已成为制约PEM电解水进一步降本增效的重要瓶颈。

值得指出的是，催化剂利用率低的本质原因并不在于催化剂本身的活性不足，而主要源于催化层内部的传输限制，导致催化层中大部分区域在实际运行中无法被利用。在实际工况下，仅有紧邻多孔传输层的催化层区域（图1b）能有效参与析氧反应，而远离多孔传输层的催化层区域则处于电化学非活性状态。这些占据催化层主体面积的面内区域，即便负载了高性能铱基催化剂，也无法对析氧反应作出贡献。然而，由于催化层工况表征方法与体系复杂性的双重挑战，电化学死区形成的化学本质始终未被阐明，也导致缺乏有效的活化策略。

图1（a）膜电极组件结构及（b）催化层电化学活性分布。

近日，炸金花在线-炸金花在线玩 邹晓新教授团队在阳极催化层的“死区”成因与活化研究中取得突破。针对工况下催化层难以直接观测的问题，发展了高速微观可视系统，原位监测催化层表面气泡和反应分布。研究发现，“死区”现象具有普遍性，其存在与催化剂种类、离聚物类型、催化剂载量及测试条件均无关。结合原位气泡可视化、四探针电导率测试和电化学性能分析，研究证实：传统IrO₂/离聚物混合催化层中面内“死区”的主要成因是电子传输受限，而根源在于离聚物对IrO₂导电网络的破坏。由于离聚物本身电子绝缘，会阻断IrO₂纳米颗粒之间的连续电子通路，导致催化层面内导电性严重不足，从而形成电化学“死区”。

针对这一问题，团队提出了次序喷涂策略。与传统的一步混合喷涂法不同，该策略分两步进行：首先喷涂无离聚物的IrO₂浆料，构建连续的三维导电骨架（图2a）；随后喷涂离聚物，使其渗入已经形成的催化层网络中，提供质子传导和粘结作用。采用该策略制备的催化剂层，其电子导电性较传统一步喷涂法提升3-4倍，面内死区被有效激活（图2b,c），铱利用率提高至40%以上。

图2(a)采用次序喷涂策略构建催化层的示意图。(b)基于不同IrO₂催化剂制备的次序喷涂层与一步喷涂层的电导率对比。(c)采用次序喷涂制备的催化层在工况下的可视化照片。

针对多种商业IrO₂催化剂，该策略同样可使性能提升25%–35%，表明其具有良好的普适性。在单池电解槽中（采用Nafion 115膜，铱载量为0.25 mg_Ir/cm²），顺序喷涂电极在1.75 V电压下可实现2 A/cm²的电流密度，并稳定运行超过8300小时。将膜面积放大至100 cm²，并组装为由6片电池构成的2.1 kW PEM电解电堆，该电堆同样展现出优异的活性和稳定性，验证了该策略在工程化尺度上的可行性。

相关研究成果以“Activating In-Plane Dead Zones of Anode Catalyst Layers in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”为题，发表在《Nature Communications》(Nat. Commun. 2026, DOI: 10.1038/s41467-026-75223-1)。文章第一作者为炸金花在线-炸金花在线玩 博士研究生赵梓成和梁宵副教授，通讯作者为炸金花在线 邹晓新教授和陈辉副教授。

论文链接：//www.nature.com/articles/s41467-026-75223-1