质子交换膜水电解（PEMWE）作为可再生能源制氢的重要技术路径，具备高电流密度、快动态响应等优势，已成为绿色氢能规模化应用的关键支撑。然而，该技术高度依赖贵金属铱基催化剂，传统金红石结构IrO_x在工业条件下需2–4 mg_Ir cm⁻²的高负载以维持活性与耐久性，导致铱年需求量预计达1.5–2.0吨，占全球供应的约30%，资源瓶颈日益突出。尽管降低铱用量有助于缓解供需压力，但常规催化层在低载量下易发生结构破损、导电网络断裂及“孤岛效应”，进一步诱发活性衰减、颗粒迁移与气液传输障碍。因此，实现PEMWE的可持续发展亟需突破传统结构设计，通过原子尺度活性优化与器件尺度结构重构协同提升铱利用效率与电解性能。

图1传统阳极催化层与多级结构优化阳极催化层对比示意图。

针对上述科学问题，吉林大学邹晓新教授团队聚焦于具有一维纳米结构特征的隧道型氧化铱（T-IrO_x）材料，系统开展了结构-性能关系研究。为破解催化剂活性提升与资源利用效率之间的矛盾，团队通过密度泛函理论计算结合原位表征，首次揭示T-IrO_x中存在此前被忽视的本征活性空间异质性：位于一维通道末端的隧道口（tunnel mouths）具有远高于隧道壁（tunnel walls）的析氧能力，前者的本征活性约为后者的25倍。基于这一认识，团队发展了一种低温固相合成方法，实现了T-IrO_x纳米棒长径比的可控调节，并策略性合成短纳米棒（T-IrO_x-400）以提高隧道口暴露度。在PEM电解槽中，T-IrO_x-400催化剂能够在0.28 mg cm⁻²的低铱载量下，实现1.8 [email protected] A cm⁻²的高性能，并可稳定运行1800小时，电压衰减率低至7 μV h⁻¹，综合性能远优于传统金红石IrO_x催化剂体系。T-IrO_x-400催化剂在电解槽中的高性能不仅来源于高活性位点的精准暴露，还依赖于T-IrO_x材料一维形貌所构建的连续导电网络和高效传质通道。而晶格中引入的质子作为间隙离子参与电荷补偿，可稳定铱的氧化态于亚四价状态，从而抑制过度氧化与结构，最终实现了活性与稳定性的共同提升。

该研究创新性地从空间分布维度优化IrO_x催化剂设计思路，揭示纳米结构中活性位点的高度异质性，并提出活性位点空间工程的普适策略。通过精准调控高活性区域的构型暴露，在显著降低铱用量的同时保证器件性能，为PEMWE关键材料开发提供新方向，并为缓解绿氢发展中的铱资源瓶颈提供了解决方案。

相关研究成果以“Tunnel-structured IrO_xUnlocks Catalytic Efficiency in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”为题发表在Nature Communications（Nat. Commun.2025,16,7608）上。四虎影视 博士研究生张明程、安伟，博士后刘倩倩，硕士研究生姜雨竺为共同第一作者，吉林大学邹晓新教授、博士后梁宵为共同通讯作者。

论文链接：//www.nature.com/articles/s41467-025-62861-0