『CEST』陕西师范大学/长安大学研究团队：电解水制氢催化中的评估问题

1.文章来源：本文内容来自Clean Energy Science and Technology第3卷第3期发表的“Assessment issues on electrochemical catalysis for water splitting” (Online: 2025-09-02).

2.文章DOI：https://doi.org/10.18686/cest376

3.引用格式：Sun Y, Han H, Zhao Y, et al. Assessment issues on electrochemical catalysis for water splitting. Clean Energy Science and Technology. 2025; 3(3): 376. https://doi.org/10.18686/cest376

·研究背景·

利用太阳能、风能、水能等可再生能源电解水制备绿氢，是实现 “碳中和” 目标的重要可行路径之一。当前，构建具有高电流密度且长时稳定的电解系统已成为该领域的主流研发方向。过去数十年间，研究人员已研发并制备出多种电解水催化剂。以 “水分解” 为关键词在学术期刊数据库中进行检索，相关研究论文数量持续增长，截至 2023 年已突破 34,000 篇。然而在工业领域广泛应用的碱性电解水（AWE）与质子交换膜电解水（PEMWE）制氢技术，至今仍主要依赖镍、铂、铱等传统元素基催化剂。尽管新型催化剂层出不穷，却未能对工业水电解进程产生实质性的推动，这一现象引人深思。必须承认，针对特定电化学过程（尤其是水电解）的标准测量方法尚未统一，此类问题亟待解决与纠正。若将存在误导性的测试数据盲目应用于工业试验，不仅会造成资源浪费，还可能埋下安全隐患。因此，本研究将重点讨论最广泛采用的活性评价方法之一，即线性扫描伏安法（LSV），探讨其在电催化材料性能评估中的应用。

·图文导读·

图1. 用于三电极体系的：(a) 单电解池与 (b) H型电解池；(c) 瓶内剧烈搅拌条件下电极示意图；(d) 工业电解槽中电解质传输示意图。

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构建三电极体系的准则

目前，大多数电化学行为的研究通常基于三电极体系进行测试。该体系测量结果易受多种实验因素的影响，例如电解池构型、电极尺寸、电极活化处理过程、参比电极的选择与放置位置、电解液组成与纯度等。因此，在实际实验过程中需对上述变量进行严格控制与规范。

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电化学测试问题

图2. 来源于不同参考文献的线性扫描伏安法（LSV）偏压示意图：(a) 汞|氧化汞电极（Hg|HgO 电极）；(b) 饱和甘汞电极（SCE）；(c) 银|氯化银电极（Ag|AgCl 电极）；其中虚线代表固有电位。

2.1

高电流密度（HCD, High Current Density）

为与上游具有波动性和间歇性的电能实现高效联动，能应用于高电流密度下的电解水催化剂已成为研究热点。但是对催化剂性能的评价，不应只关注高电流密度，却忽视其本征活性。

2.2

IR补偿

大多数文献中报道的过电位数据均是在IR补偿条件下测定的，其R代表总电阻，包括催化剂与基底间的接触电阻、催化剂与电解质间的电荷转移电阻以及催化剂自身的本征电阻；I指特定电流密度下的电流。经过IR补偿后的LSV曲线旨在展示电催化剂在理想条件下的催化活性，但电阻是客观存在且无法避免的，这意味着能耗问题在实际工业应用中绝不能被忽视。

图3. 在不同IR补偿条件下测定的NF电极上LSVs曲线。

·结论与展望·

不当的测试方法可使同一材料表现出截然不同的催化性能。为此，我们向该领域研究者提出如下倡议：

（1）合理构建电解池系统：较小的工作电极尺寸通常有助于获得更优性能，而较大尺寸电极则更贴近工业应用场景的性能表现。推荐使用 1.0 × 1.0 cm2 的工作电极，对电极应尽可能大，以确保电流收集效率。参比电极应尽量靠近工作电极，以减少电解液电阻。建议使用 5 mV·s-1的扫描速率进行LSV测试以快速评估催化剂性能；若需规避副反应干扰，可采用 0.1 mV·s-1的准静态LSV扫描。

（2）针对不同的电解液应选用合适的参比电极：碱性介质中推荐Hg|HgO电极，酸性介质中推荐使用 Hg|Hg₂Cl₂电极，中性介质中宜采用Ag|AgCl电极。与此同时，推荐使用纯化后的碱性电解液，以及配备带有阴/阳离子交换膜的H型电解池，以避免离子污染。

（3）用于高电流密度测试的电解体系不应进行剧烈搅拌。搅拌速率不宜高于200 rpm。IR补偿比例应低于60%，且不应在高电流密度测试下使用。

（4）合理转换比活性：若以活性位点数量转换质量比活性，可能存在夸大活性的嫌疑。

（5）评估电化学行为时涉及的测试参数应尽可能详尽列出，包括温度、电解液、电解池类型、载量、工作电极尺寸、对电极、参比电极、工作电极与参比电极间距离、搅拌条件、IR 补偿、扫描速率等。标准化测试有助于提升催化剂活性数据的准确性与可信度，此类电化学测试准则也可推广至其他电化学过程，如氧还原反应、二氧化碳还原反应和氮气还原反应等。

·通讯作者简介·

薄鑫，陕西师范大学副研究员。主要研究领域：氢能，电催化，功能材料研发，芯片电镀等。在Energy & Environmental Science, Chemistry of Materials，ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表学术论文40余篇；申请专利30余件，其中已公开国际专利4件、已授权中国专利15件。主持国家自然科学基金青年项目、陕西省引才项目等十余项。

Clean Energy Science and Technology (CEST)是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月，CEST被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

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