來源：材料牛,本文由材料人科技顧問Dr.Y供稿，材料人編輯部編輯。

電化學(xué)在能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換方面有著廣泛應(yīng)用，因而成為納米材料中的重要領(lǐng)域。隨著合成和表征技術(shù)的日益完善，研究者們對于氫析出(HER)，氧析出(OER)，氧還原(ORR)和二氧化碳還原(CO2RR)等催化反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識也有著長足的進(jìn)步。

眾多論文引出的問題是如何合理的比較納米材料的催化活性。

國際領(lǐng)先納米材料期刊ACS Nano的主編們專門制定了一套準(zhǔn)確測量電催化的指南，希望能幫助廣大研究者更加客觀的報(bào)道納米材料的催化性能。

標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是一個(gè)電催化反應(yīng)的熱力學(xué)屬性，往往我們需要在負(fù)載催化劑的電極上施加一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)電勢更高的電勢來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行，這個(gè)電勢和平衡電勢的差值被稱為過電勢 (η)。

起始電位如圖1a的箭頭所示，即極化曲線（或循環(huán)伏安）上由非法拉第電流變?yōu)榉ɡ陔娏鞯霓D(zhuǎn)折點(diǎn)。一般過電勢和起始電位被認(rèn)為是評估催化性能的重要指標(biāo)。除了熱力學(xué)參數(shù)以外，動(dòng)力學(xué)以及反應(yīng)機(jī)理等信息可以從Tafel曲線中得到，即電流密度的對數(shù)和過電勢的關(guān)系曲線（如圖1b所示）。Tafel斜率的數(shù)值代表了特定的反應(yīng)路徑，在測量這個(gè)參數(shù)時(shí)電勢應(yīng)當(dāng)覆蓋足夠的范圍（到達(dá)150 mV過電勢），這樣才能更準(zhǔn)確的認(rèn)識所研究的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

圖1

（a）極化曲線（b）Tafel曲線（c）平面電極（d）納米結(jié)構(gòu)電極

評估納米材料活性的一個(gè)非常重要的參數(shù)是電極的表面積。納米材料所表現(xiàn)出來的電化學(xué)活性表面積往往和他們的幾何面積有很大差別（圖1c和d）。電化學(xué)表面積一般可以通過非法拉第電流（充電電流）求出。在雙電層區(qū)掃描得到的電流和掃速成正比，斜率即為雙電層電容。雙電層電容和平面電極電容的比被稱為粗糙度。電化學(xué)活性表面積可以通過粗糙度和幾何尺寸的乘積得出。值得注意的是，對于無活性的納米材料（如納米碳顆粒）來說，用雙電層電容測出的面積比實(shí)際偏高，所以電化學(xué)活性面積應(yīng)通過欠電位沉積或電子顯微鏡等方法獲得。在比較電流密度的時(shí)候，一定要采用電化學(xué)活性面積來歸一化電流。在不考慮電化學(xué)面積的情況下，可以采用反轉(zhuǎn)效率（TOF，反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)量/催化劑數(shù)量）來評價(jià)催化性能。

在測量電催化活性的時(shí)候，大家往往采用三電極系統(tǒng)：工作電極、參照電極和對電極。其中工作電極通常由玻碳電極構(gòu)成，用以負(fù)載催化劑納米顆粒。電流通常經(jīng)過外部電路，在工作電極和對電極之間流通。采用玻碳材質(zhì)的工作電極需要很高的潔凈度以及很低的粗糙度，這樣才不會(huì)對催化劑本身性能的測量造成影響。

在選擇對電極材料的時(shí)候，需要保證它們不會(huì)引入活性物種，比如Pt在酸性下不適合做對電極。在研究二氧化碳還原的時(shí)候，不推薦使用碳電極，因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物可能被污染。

無論如何，細(xì)致的分析總沒有錯(cuò)，可以使我們更好的理解電化學(xué)分析，從而得出更高效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。希望上述指南可以幫助大家標(biāo)準(zhǔn)化納米材料的催化性能，減少假陽性等試驗(yàn)結(jié)果。

原文地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b07700