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燃料電池以及電解水技術是具有價格競爭性的技術,為了實現其大規模應用,發展高效率的氫氣氧化/制氫/氧還原/制氧電催化劑非常重要的工作。通常測試電催化劑的催化活性和耐久性需要使用旋轉圓盤電極(RDE)或者膜電極(MEA)。RDE是一種快速和廣泛使用的技術,MEA通常比較複雜,但是MEA的測試條件更加接近實際情況。

有鑑於此,慕尼黑工業大學Hany A. El-Sayed等總結了目前研究電催化劑性能和耐久性的普適性測試技術,並且比較了RDE、MEA測試結果的區別。

通過電催化的方式製備氫氣和催化氫氣的轉化是低碳未來的關鍵技術,獲取更加經濟的氫氣和氫氣高效利用主要依賴於兩種方式:分解水、燃料電池。燃料電池和水電解槽通常在酸性/鹼性電解液中工作,目前研究酸性/鹼性體系電催化劑的技術和方法通常是相同的。由於目前陰離子交換膜電催化體系主要的挑戰是發展新型離子聚合物和提高聚合物的壽命,因此作者在這項綜述中主要考察質子交換膜燃料電池(PEMFC)、質子交換膜水電解槽(PEMWE)。

在PEMFC中,氫氣在陽極Pt電催化劑氧化,得到電子和H+,隨後H+通過質子傳輸膜向陰極移動,電子從外電路中向陰極轉移產生電能;在PEMWE中,反應的方向與PEMFC恰好相反。

目前PEMFC和PEMWE中都需要使用昂貴稀少的Pt族金屬作為催化劑,因此發展高活性含有較少貴金屬含量的試劑級催化劑是至關重要,這需要可靠的方法評價催化劑的活性和穩定性。

作者總結了RDE技術適用的條件,以及如何避免對結果產生不恰當的解釋。隨後,展示了目前適用MEA方法測試氫/氧電催化劑面臨的挑戰,提出電催化劑早期發展過程中應該更多的使用MEA測試技術和方法。

Timon Lazaridis , Björn M. Stühmeier, Hubert A. Gasteiger and Hany A. El-Sayed, Capabilities and limitations of rotating disk electrodes versus membrane electrode assemblies in the investigation of electrocatalysts, Nat Catal 5, 363–373 (2022)

DOI: 10.1038/s41929-022-00776-5

https://www.nature.com/articles/s41929-022-00776-5

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