DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63854-8
近日，《催化学报》在线发表了中国科学院长春应用化学研究所徐维林研究员团队在电催化领域的最新研究成果。该工作报道了通过大数据分析来自全球一百多个实验室用作活性参比（以评估其他电催化剂氧还原活性）的商业铂碳（Pt/C）电催化氧还原反应的详细测试条件与所得性能相关性，发现在电极直径为4 mm的玻碳工作电极上Pt 负载量为20 μg/cm2、以10 mV/s 为线性扫描速率时，可获得重复性最好的 ORR 催化性能（E1/2=0.84±0.03 V），并对结果以实验进行了验证。论文共同第一作者为：阮明波和刘京，论文通讯作者为：徐维林。聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）因其高效率、清洁环保等优势将成为具有巨大发展潜力的清洁能源而被广泛应用。由于燃料电池的电极催化剂多为铂基等贵金属催化剂，从而导致其成本高昂，因此为了降低铂用量，许多低铂或非铂催化剂被开发应用，而商用Pt/C催化剂作为评价燃料电池阴极氧还原反应（ORR）催化剂性能的参考标准，其测试方法不同导致评价标准不一致性。为解决这个问题，需要一种标准的简单测试方案作为商业Pt/C催化剂的测试参考，以便准确评估任何一种新催化剂的性能。我们通过对全球不同实验室的514个参考文献进行数据挖掘并进行元分析，发现商业Pt/C性能差异可能主要归因于测试方案差异，如铂负载 (μg/cm2)、玻碳电极的尺寸和线性扫描速率等。基于这些主要影响因素，我们重点分析了商业Pt/C的催化性能（E1/2）与测试方案中各因素之间的相关性。结果发现在直径为4 mm、Pt 负载量为20 μg/cm2的玻碳工作电极上，以10 mV/s 的扫描速率，在酸性和碱性电解质中都可以可靠地获得商业Pt/C最为可重复的ORR催化性能（E1/2=0.84±0.03 V），且在高氯酸中可获得比在硫酸中更高的E1/2值，这一结果通过实验得到了进一步的证实。通过元分析得出的这一结论可作为商业Pt/C的ORR半波电位的“黄金参考”，用于评估其它ORR催化剂在酸性和碱性电解液中的性能。这项工作为作为ORR性能参考标准的商业Pt/C的可靠测试提供了通用的指导。图1. 论文中出现的Figure 2，文献数据中不同电解质中铂负载与ORR半波电位（E1/2）的关系，（a）酸性，（b）碱性，红色曲线代表不同载量下E1/2的平均值。从宽范围分析铂载量（10 μg/cm2 到100 μg/cm2）与E1/2的相关性，无论是酸性电解质还是碱性电解质，即使是同一铂载量，不同的实验室测试的E1/2值也存在着很大的偏差。通过统计分析，E1/2的平均值随着铂载量的增加而增大，当载量在~20 μg/cm2时达到最大值（~0.84 V）。而0.84±0.03 V这一小范围区间（包含约90%的数据）可作为评估商业Pt/C在酸性和碱性电解质中催化 ORR性能的“黄金参考”。图2. 论文中出现的Figure 3，（a）商业Pt/C电催化ORR在酸性和碱性溶液中使用GC电极不同尺寸的统计分析，（b）在酸性和碱性溶液中，Pt负载范围均为20±2 μg/cm2时，商用Pt/C在不同尺寸GC电极上获得了平均半波电位。根据统计分析，最常用的电极尺寸有3 mm, 4 mm和5 mm三种，5 mm的电极使用最广泛。在Pt负载范围均为20±2 μg/cm2的条件下，使用直径4 mm的电极可获得更好的半波电位。图3. 论文中出现的Figure 4和Figure 5，（a）在酸碱性电解质中，Pt载量范围在20±2 μg/cm2的4 mm电极上，不同扫描速率与半波电位关系的统计分析，（b）在HClO4 (0.1 M)和H2SO4 (0.5 M)中Pt载量与半波电位分布关系的统计分析。根据统计分析，在酸性电解质中，扫描速率10 mV/s获得的半波电位明显比5mV/s获得的半波电位更高，而在碱性电解质中，扫描速度对半波电位的影响并不明显。另外，相比于H2SO4电解质，在HClO4 电解质中可获得更好的半波电位。1.通过数据挖掘对商业铂碳催化剂催化氧还原反应测试过程中主要因素对催化剂性能的影响进行了元分析。2. 分析结果发现在直径为4mm、Pt 负载量为20 μg/cm2 的玻碳工作电极上，以10 mV/s 的扫描速率，在酸性和碱性电解质中都可以可靠地获得商业 Pt/C 最可重复的 ORR 催化性能（E1/2=0.84±0.03 V ），且在高氯酸电解质中可获得比在硫酸电解质中更高的E1/2值，这一结果通过实验得到了进一步的证实。3. 通过元分析得出的这一结论可作为商业Pt/C的ORR半波电位的“黄金参考”，用于评估其他ORR催化剂在酸性和碱性电解液中的性能。这项工作为作为ORR性能参考标准的商业Pt/C的可靠测试提供了通用的指导。徐维林，中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师。主要研究方向：能源催化，单分子荧光技术。电分析化学国家重点实验室主任，获国家基金委杰出青年基金、国家基金委优秀青年、中组部“青年千人”计划等资助。在燃料电池电催化剂与膜电极等关键材料设计与创制、单分子能源催化领域开展了深入的基础研究，并取得开创性成果。自主开发的单分子荧光-电化学耦合平台，处国际领先水平，从单分子水平解析了燃料电池催化剂工况下活性衰减机制，为单分子研究电催化过程开辟新视角，引领国内单分子荧光技术的发展；领军突破燃料电池铂基催化剂成本高耐久性差等关键卡脖子问题，发展缺陷锚定铂单原子催化剂的方法，实现铂利用率突破DOE 2020目标；发展基于超薄非对称膜构建低温低湿环境下高性能膜电极的新方法，为助力氢能经济和碳中和奠定基础。主持和参与国家基金委重点项目、科技部重点研发计划等多项课题。 作为通讯作者在包括Chem. Rev., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., PNAS, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Small, Chem. Commun., J. Phys. Chem. Lett., ACS Nano等发表SCI论文> 70篇，多篇被选为高被引论文，发明专利近40项，2018年受邀主编由Wiley出版的专著“Single Particle Nanocatalysis: Fundamentals and Applications"。课题组主页：http://smec.ciac.jl.cn/Mingbo Ruan, Jing Liu, Ping Song, Weilin Xu *, Chin. J. Catal., 2022, 43: 116–121
