清華新聞網(wǎng)4月18日電 電催化反應(yīng)，如析氫反應(yīng)、析氧反應(yīng)、氧還原反應(yīng)、二氧化碳還原反應(yīng)等在可持續(xù)能源技術(shù)和能量轉(zhuǎn)換裝置中發(fā)揮重要的作用。在電催化反應(yīng)體系中，高性能電催化劑對(duì)于提高催化反應(yīng)能量轉(zhuǎn)換效率、降低能耗成本至關(guān)重要。因此，研究學(xué)者們著力于開(kāi)發(fā)各種高性能電催化劑來(lái)提高反應(yīng)活性。在大多數(shù)研究工作中，已報(bào)道的電催化劑在各自的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。然而，這些研究中的實(shí)驗(yàn)條件和性能評(píng)估方法各不相同，使得準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電催化劑性能存在巨大挑戰(zhàn) 。
過(guò)電位（η）是指驅(qū)動(dòng)反應(yīng)達(dá)到特定電流密度所需的額外施加電位，是廣泛用作評(píng)估電催化劑活性的關(guān)鍵指標(biāo)。在三電極體系電化學(xué)測(cè)試中，電流密度為10 mA cm-2的η值（以下定義為η@10 mA cm-2）通常用于衡量析氫和析氧反應(yīng)中電催化劑的活性。目前已報(bào)道的η@10 mA cm-2中，即使是最常用的標(biāo)準(zhǔn)鉑（Pt）催化劑，也顯示出不同的催化性能。在圖1中，研究團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)了酸性和堿性電解質(zhì)中析氫反應(yīng)的η@10 mA cm-2，并發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的Pt催化劑（例如箔片、鉑網(wǎng)、薄膜、鉑絲等），其η@10 mA cm-2的范圍為20至100mV，甚至部分大于100mV。雖然這些值是通過(guò)歸一化Pt催化劑的電極面積獲得的，但這些Pt催化劑的不同形態(tài)導(dǎo)致η值存在很大差異。在諸多已報(bào)道的研究工作中，電催化反應(yīng)的測(cè)試條件，如電解槽的尺寸、電解質(zhì)的類(lèi)型和溫度等均有不同。電極工作環(huán)境，如電解質(zhì)溫度，會(huì)影響電催化劑的反應(yīng)熱力學(xué)，從而導(dǎo)致η的變化。此外，電催化劑的η值還隨催化劑的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、溶液電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻發(fā)生變化。圖2展現(xiàn)了影響電催化劑性能對(duì)比和評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素，包括本征活性、電阻效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)、催化劑負(fù)載量、催化劑微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能評(píng)價(jià)方法。因此，為了使電催化領(lǐng)域保持良性發(fā)展，急需發(fā)展一套標(biāo)準(zhǔn)化電催化劑性能測(cè)量和評(píng)價(jià)的研究方法。
圖1.已報(bào)道Pt催化劑析氫性能的分布；（a）酸性電解液；（b）堿性電解液
圖2.影響電催化劑性能評(píng)價(jià)的因素
基于以上背景，近日清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了電催化體系中標(biāo)準(zhǔn)Pt催化劑差異化活性的來(lái)源，深入探索了不同電極面積歸一化方法對(duì)活性評(píng)價(jià)的影響（圖3）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件方面，作者通過(guò)構(gòu)建不同溶液電阻體系來(lái)衡量電阻效應(yīng)對(duì)電催化活性的影響。此外，作者還研究了電解液溫度對(duì)催化熱力學(xué)和催化穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的影響，揭示了環(huán)境效應(yīng)對(duì)電極活性評(píng)估的影響機(jī)制。電極面積活性歸一化方面，作者通過(guò)設(shè)計(jì)不同催化劑負(fù)載量及微觀(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證歸一化方法對(duì)催化劑活性評(píng)價(jià)的差異性。最后，基于以上研究結(jié)論，作者對(duì)未來(lái)電催化反應(yīng)體系中催化劑活性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提出了相關(guān)展望，包括提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件和方法自查表、降低電阻效應(yīng)對(duì)催化活性評(píng)價(jià)的影響、設(shè)置歸一化標(biāo)準(zhǔn)、明確性能評(píng)價(jià)方法等。該研究工作為準(zhǔn)確、客觀(guān)評(píng)價(jià)催化性能提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有望廣泛應(yīng)用于電催化反應(yīng)體系中催化材料性能評(píng)價(jià)，并推動(dòng)電催化領(lǐng)域的良性發(fā)展。
圖3.（a）三電極電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)示意圖；（b）三電極電解池中溶液電阻效應(yīng)示意圖；（c）環(huán)境（溫度）效應(yīng)對(duì)電催化活性的影響；（d）不同電極面積歸一化方法對(duì)電催化劑活性評(píng)價(jià)的影響
相關(guān)研究成果近期以《為什么鉑催化劑展現(xiàn)差異化電催化性能？》（Why do platinum catalysts show diverse electrocatalytic performance?）為題在線(xiàn)發(fā)表在《基礎(chǔ)研究》（Fundamental Research）上。論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院余強(qiáng)敏博士，通訊作者為劉碧錄副教授。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2018級(jí)博士生張致遠(yuǎn)、2019級(jí)博士生劉鶴鳴、2020級(jí)博士生康馨、2020級(jí)碩士研究生葛詩(shī)玉、博士后李少海以及干林副教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.03.017
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
