DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63854-8
近日，《催化學(xué)報(bào)》在線發(fā)表了中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林研究員團(tuán)隊(duì)在電催化領(lǐng)域的最新研究成果。該工作報(bào)道了通過大數(shù)據(jù)分析來自全球一百多個(gè)實(shí)驗(yàn)室用作活性參比（以評(píng)估其他電催化劑氧還原活性）的商業(yè)鉑碳（Pt/C）電催化氧還原反應(yīng)的詳細(xì)測(cè)試條件與所得性能相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)在電極直徑為4 mm的玻碳工作電極上Pt 負(fù)載量為20 μg/cm2、以10 mV/s 為線性掃描速率時(shí)，可獲得重復(fù)性最好的 ORR 催化性能（E1/2=0.84±0.03 V），并對(duì)結(jié)果以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。論文共同第一作者為：阮明波和劉京，論文通訊作者為：徐維林。聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）因其高效率、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)將成為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉炊粡V泛應(yīng)用。由于燃料電池的電極催化劑多為鉑基等貴金屬催化劑，從而導(dǎo)致其成本高昂，因此為了降低鉑用量，許多低鉑或非鉑催化劑被開發(fā)應(yīng)用，而商用Pt/C催化劑作為評(píng)價(jià)燃料電池陰極氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑性能的參考標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)試方法不同導(dǎo)致評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致性。為解決這個(gè)問題，需要一種標(biāo)準(zhǔn)的簡單測(cè)試方案作為商業(yè)Pt/C催化劑的測(cè)試參考，以便準(zhǔn)確評(píng)估任何一種新催化劑的性能。我們通過對(duì)全球不同實(shí)驗(yàn)室的514個(gè)參考文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘并進(jìn)行元分析，發(fā)現(xiàn)商業(yè)Pt/C性能差異可能主要?dú)w因于測(cè)試方案差異，如鉑負(fù)載 (μg/cm2)、玻碳電極的尺寸和線性掃描速率等。基于這些主要影響因素，我們重點(diǎn)分析了商業(yè)Pt/C的催化性能（E1/2）與測(cè)試方案中各因素之間的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在直徑為4 mm、Pt 負(fù)載量為20 μg/cm2的玻碳工作電極上，以10 mV/s 的掃描速率，在酸性和堿性電解質(zhì)中都可以可靠地獲得商業(yè)Pt/C最為可重復(fù)的ORR催化性能（E1/2=0.84±0.03 V），且在高氯酸中可獲得比在硫酸中更高的E1/2值，這一結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)得到了進(jìn)一步的證實(shí)。通過元分析得出的這一結(jié)論可作為商業(yè)Pt/C的ORR半波電位的“黃金參考”，用于評(píng)估其它ORR催化劑在酸性和堿性電解液中的性能。這項(xiàng)工作為作為ORR性能參考標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)Pt/C的可靠測(cè)試提供了通用的指導(dǎo)。圖1. 論文中出現(xiàn)的Figure 2，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中不同電解質(zhì)中鉑負(fù)載與ORR半波電位（E1/2）的關(guān)系，（a）酸性，（b）堿性，紅色曲線代表不同載量下E1/2的平均值。從寬范圍分析鉑載量（10 μg/cm2 到100 μg/cm2）與E1/2的相關(guān)性，無論是酸性電解質(zhì)還是堿性電解質(zhì)，即使是同一鉑載量，不同的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的E1/2值也存在著很大的偏差。通過統(tǒng)計(jì)分析，E1/2的平均值隨著鉑載量的增加而增大，當(dāng)載量在~20 μg/cm2時(shí)達(dá)到最大值（~0.84 V）。而0.84±0.03 V這一小范圍區(qū)間（包含約90%的數(shù)據(jù)）可作為評(píng)估商業(yè)Pt/C在酸性和堿性電解質(zhì)中催化 ORR性能的“黃金參考”。圖2. 論文中出現(xiàn)的Figure 3，（a）商業(yè)Pt/C電催化ORR在酸性和堿性溶液中使用GC電極不同尺寸的統(tǒng)計(jì)分析，（b）在酸性和堿性溶液中，Pt負(fù)載范圍均為20±2 μg/cm2時(shí)，商用Pt/C在不同尺寸GC電極上獲得了平均半波電位。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，最常用的電極尺寸有3 mm, 4 mm和5 mm三種，5 mm的電極使用最廣泛。在Pt負(fù)載范圍均為20±2 μg/cm2的條件下，使用直徑4 mm的電極可獲得更好的半波電位。圖3. 論文中出現(xiàn)的Figure 4和Figure 5，（a）在酸堿性電解質(zhì)中，Pt載量范圍在20±2 μg/cm2的4 mm電極上，不同掃描速率與半波電位關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析，（b）在HClO4 (0.1 M)和H2SO4 (0.5 M)中Pt載量與半波電位分布關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在酸性電解質(zhì)中，掃描速率10 mV/s獲得的半波電位明顯比5mV/s獲得的半波電位更高，而在堿性電解質(zhì)中，掃描速度對(duì)半波電位的影響并不明顯。另外，相比于H2SO4電解質(zhì)，在HClO4 電解質(zhì)中可獲得更好的半波電位。1.通過數(shù)據(jù)挖掘?qū)ι虡I(yè)鉑碳催化劑催化氧還原反應(yīng)測(cè)試過程中主要因素對(duì)催化劑性能的影響進(jìn)行了元分析。2. 分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在直徑為4mm、Pt 負(fù)載量為20 μg/cm2 的玻碳工作電極上，以10 mV/s 的掃描速率，在酸性和堿性電解質(zhì)中都可以可靠地獲得商業(yè) Pt/C 最可重復(fù)的 ORR 催化性能（E1/2=0.84±0.03 V ），且在高氯酸電解質(zhì)中可獲得比在硫酸電解質(zhì)中更高的E1/2值，這一結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)得到了進(jìn)一步的證實(shí)。3. 通過元分析得出的這一結(jié)論可作為商業(yè)Pt/C的ORR半波電位的“黃金參考”，用于評(píng)估其他ORR催化劑在酸性和堿性電解液中的性能。這項(xiàng)工作為作為ORR性能參考標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)Pt/C的可靠測(cè)試提供了通用的指導(dǎo)。徐維林，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：能源催化，單分子熒光技術(shù)。電分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，獲國家基金委杰出青年基金、國家基金委優(yōu)秀青年、中組部“青年千人”計(jì)劃等資助。在燃料電池電催化劑與膜電極等關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)與創(chuàng)制、單分子能源催化領(lǐng)域開展了深入的基礎(chǔ)研究，并取得開創(chuàng)性成果。自主開發(fā)的單分子熒光-電化學(xué)耦合平臺(tái)，處國際領(lǐng)先水平，從單分子水平解析了燃料電池催化劑工況下活性衰減機(jī)制，為單分子研究電催化過程開辟新視角，引領(lǐng)國內(nèi)單分子熒光技術(shù)的發(fā)展；領(lǐng)軍突破燃料電池鉑基催化劑成本高耐久性差等關(guān)鍵卡脖子問題，發(fā)展缺陷錨定鉑單原子催化劑的方法，實(shí)現(xiàn)鉑利用率突破DOE 2020目標(biāo)；發(fā)展基于超薄非對(duì)稱膜構(gòu)建低溫低濕環(huán)境下高性能膜電極的新方法，為助力氫能經(jīng)濟(jì)和碳中和奠定基礎(chǔ)。主持和參與國家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)課題。 作為通訊作者在包括Chem. Rev., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., PNAS, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Small, Chem. Commun., J. Phys. Chem. Lett., ACS Nano等發(fā)表SCI論文> 70篇，多篇被選為高被引論文，發(fā)明專利近40項(xiàng)，2018年受邀主編由Wiley出版的專著“Single Particle Nanocatalysis: Fundamentals and Applications"。課題組主頁：http://smec.ciac.jl.cn/Mingbo Ruan, Jing Liu, Ping Song, Weilin Xu *, Chin. J. Catal., 2022, 43: 116–121
