ACS Energy Letter：Pt HER催化中的本征活性问题

纳米技术

2021-03-23

寻找核发展有望替代Pt的价格低廉、丰度较高的HER催化剂驱动了人们发展新型催化剂，虽然许多相关报道认为发现了有前景的催化剂，但是并没有任何一种催化剂能够达到Pt的本征催化反应活性。因此，除了改善传质问题、进行可靠的测试之外，对催化剂的本征催化活性进行评价同样非常重要。有鉴于此，丹麦技术大学Ib Chorkendorff、Jakob Kibsgaard等以展望形式报道了实验测试HER催化剂本征催化反应活性的重要性，比如转化频率TOF测试。

本文要点：

（1）

通过设定质量，在一定区间内进行Pt催化剂的定量化，展示了酸性环境中传质限制效应对测试中Pt催化剂活性的影响。由此，室温中测试获得了酸性环境中Pt在室温条件中迄今为止最高的TOF结果。

（2）

但是考虑到实验仍然无法完全消除传质效应导致的影响，真实条件中的Pt催化活性仍是未知的。通过数值扩散模型，展示了循环伏安测试过程中的回滞效应来自于H₂的过饱和，这个现象同样指示了测试过程中的传质限制作用。

（3）

作者发现当担载量从13提高至10⁵ ng cm^-2，达到10 mA cm^-2的过电势变化将达到0.1 V，因此作者提出催化活性位点浓度对本征催化活性表征而言非常重要。

TOF、电化学活性表面积ECSA电流密度j_ESCA作为比较科学的比较本征催化活性指标，研究人员应该尽可能的给出该数值，或者给出质量活性j_mass作为评价本征催化活性值的标准。

（3）

旋转圆盘电极测试过程的传质影响显著。在不同催化剂担载量进行测试，发现当提高担载量，TOF可能降低3个数量级，这种现象说明传质现象起到非常重要关键作用。这种传质效应来自于样品之间堆叠导致ECSA损失。测试中的回滞曲线来自于H₂气体在催化剂上富集导致。

因此，目前实验中测试发现的Pt催化剂“本征催化活性”仍未达到其真实情况。此外，目前丰度较高的催化剂材料都难以达到接近或者达到Pt的本征催化HER活性。同时当认为其催化活性的确认需要仔细考察其本征催化活性，并且将传质效应考虑在内。

参考文献

Johannes Novak Hansen, Hector Prats, Karl Krøjer Toudahl, Niklas Mørch Secher, Karen Chan, Jakob Kibsgaard*, and Ib Chorkendorff*, Is There Anything Better than Pt for HER?, ACS Energy Lett. 2021, 6, 1175–1180

DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00246

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00246