电催化反应，如析氢反应、析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应等在可持续能源技术和能量转换装置中发挥重要的作用。在电催化反应体系中，高性能电催化剂对于提高催化反应能量转换效率、降低能耗成本至关重要。因此，研究学者们着力于开发各种高性能电催化剂来提高反应活性。在大多数研究工作中，已报道的电催化剂在各自的实验测试条件下均表现出优异的催化性能。然而，这些研究中的实验条件和性能评估方法各不相同，使得准确评价电催化剂性能存在巨大挑战。
过电位（η）是指驱动反应达到特定电流密度所需的额外施加电位，是广泛用作评估电催化剂活性的关键指标。在三电极体系电化学测试中，电流密度为10 mA cm-2的η值（以下定义为η@10 mA cm-2）通常用于衡量析氢和析氧反应中电催化剂的活性。目前已报道的η@10 mA cm-2中，即使是最常用的标准铂（Pt）催化剂，也显示出不同的催化性能。在图1中，研究团队统计了酸性和碱性电解质中析氢反应的η@10 mA cm-2，并发现对于不同的Pt催化剂（例如箔片、铂网、薄膜、铂丝等），其η@10 mA cm-2的范围为20至100 mV，甚至部分大于100mV。虽然这些值是通过归一化Pt催化剂的电极面积获得的，但这些Pt催化剂的不同形态导致η值存在很大差异。在诸多已报道的研究工作中，电催化反应的测试条件，如电解槽的尺寸、电解质的类型和温度等均有不同。电极工作环境，如电解质温度，会影响电催化剂的反应热力学，从而导致η的变化。此外，电催化剂的η值还随催化剂的微观结构、溶液电阻和电荷转移电阻发生变化。图2展现了影响电催化剂性能对比和评价的关键因素，包括本征活性、电阻效应、环境效应、催化剂负载量、催化剂微观结构和性能评价方法。因此，为了使电催化领域保持良性发展，急需发展一套标准化电催化剂性能测量和评价的研究方法。
图1. 已报道Pt催化剂析氢性能的分布；（a）酸性电解液；（b）碱性电解液
图2. 影响电催化剂性能评价的因素
基于以上背景，近日，清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授团队系统地研究了电催化体系中标准Pt催化剂差异化活性的来源，深入探索了不同电极面积归一化方法对活性评价的影响（图3）。实验测试条件方面，作者通过构建不同溶液电阻体系来衡量电阻效应对电催化活性的影响。此外，作者还研究了电解液温度对催化热力学和催化稳定性评价的影响，揭示了环境效应对电极活性评估的影响机制。电极面积活性归一化方面，作者通过设计不同催化剂负载量及微观结构来验证归一化方法对催化剂活性评价的差异性。最后，基于以上研究结论，作者对未来电催化反应体系中催化剂活性的准确评价提出了相关展望，包括提供详细的实验测试条件和方法自查表、降低电阻效应对催化活性评价的影响、设置归一化标准、明确性能评价方法等。该研究工作为准确、客观评价催化性能提供了实验基础，有望广泛应用于电催化反应体系中催化材料性能评价，并推动电催化领域的良性发展。
图3. （a）三电极电化学测试系统示意图；（b）三电极电解池中溶液电阻效应示意图；（c）环境（温度）效应对电催化活性的影响；（d）不同电极面积归一化方法对电催化剂活性评价的影响
相关研究成果近期以“为什么铂催化剂展现差异化电催化性能？”（Why do platinum catalysts show diverse electrocatalytic performance?）为题在线发表在《基础研究》（Fundamental Research）上。 论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院余强敏博士，通讯作者为刘碧录副教授。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院2018级博士生张致远、2019级博士生刘鹤鸣、2020级博士生康馨、2020级硕士研究生葛诗玉、博士后李少海以及干林副教授。该研究得到了国家自然科学基金委、广东省创新创业团队项目、深圳市科创委等部门的支持。
论文链接：
文/图 | 余强敏、胡书萁
编辑|黄萧嘉
封面设计|熊倚凝
排版|蒋坤伦
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英文微信公众号：Tsinghua SIGS
新浪微博：@清华SIGS
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