让催化剂动起来：中美科学家提出"流动电催化"新策略

让催化剂动起来：中美科学家提出"流动电催化"新策略

在电催化领域，催化剂的疲劳问题一直是一个难以攻克的难题。近日，美国西北大学黄嘉兴教授、湖南大学周一歌教授及成都电子科技大学康毅进教授团队提出了一种创新的"流动电催化"策略，通过让催化剂颗粒在电解液中流动，显著提高了电催化剂的抗疲劳性能和电催化反应的稳定性，为解决这一难题提供了新的思路。

在电催化反应中，催化剂材料通常被粘附在电极表面，如碳电极，然后浸入电解液中进行长时间、连续的电化学反应（图1a）。然而，这种传统的催化方式存在诸多问题：反应中间体可能导致催化剂表面中毒；催化剂颗粒在长时间的电化学"压力"下容易发生团聚、烧结、溶解或钝化；反应活性物种到催化剂表面的扩散受限也会导致催化电流衰减。这些疲劳机制会大大降低催化剂的工作效率，缩短其寿命，导致整个电化学体系性能下降。

针对这些问题，传统的解决方案往往从催化剂本身出发，通过调控其表面状态和化学成分，或改进催化剂载体材料来防止颗粒聚集和脱落。然而，由于催化剂疲劳机制多样且催化剂及其载体的材料、成分和结构各不相同，这些解决方案往往只适用于特定的催化剂，缺乏普适性。

研究团队基于单颗粒电分析化学的最新进展，提出了一种全新的"流动电催化"策略（图1b）。在这种模式下，催化剂颗粒不再固定在电极上，而是在电解液中自由流动。当单个颗粒与电极碰撞时，会产生瞬态法拉第电流，这些电流累积起来可以输出连续、稳定且可随催化剂用量增大的电流。对每个催化剂颗粒而言，电场仅在粒子与电极碰撞时才会对其产生作用并驱动电子转移，这极大地降低了电化学压力作用于催化剂颗粒的时间尺度，从而抑制了许多常见的疲劳机制。

同时，流动模型在空间和时间上将电子转移步骤与其他相对较慢的电极反应步骤（如物质传质过程）分开，使得电极反应不再受传质限制，流动催化剂将经历更快的反应动力学。研究团队以最典型的Pt/C颗粒为模型催化剂，在碳微电极上分析了Pt/C单颗粒的析氧反应电化学行为（图2），包括颗粒碰撞频率、碰撞时间尺度和单颗粒产生的催化电流强度等参数。

实验结果表明，流动催化模型的输出电流随电极面积及催化剂颗粒浓度的增大而增加，而固定催化模型的输出电流则很快达到饱和。计算结果显示，流动体系中单颗粒的电流效率比固定体系高出两到三个数量级。这解释了为什么流动体系中单位时间内同时参加反应的催化剂颗粒数虽然远少于固定体系，但仍能保持相近的电流输出。

为了验证流动电催化策略的普适性，研究团队选择了析氧反应（OER）、甲醇氧化反应（MOR）和析氢反应（HER）三个经典电催化反应作为模型（图3和图4）。实验结果表明，该策略可以有效缓解催化剂颗粒在高过电位下的团聚与溶解、反应中间体的毒化、催化剂粉化及脱落等疲劳机制。即使在单个流动Pt/C颗粒的贡献远大于固定颗粒的情况下，流动催化剂的烧结程度也明显低于固定催化剂。

这种流动电催化策略将催化剂颗粒的工作模式从传统的长时间连续工作转变为轮流间断性工作，避免了电化学压力的不断积累。同时，催化剂颗粒经历更快的反应动力学并输出更高的电流效率，有利于抑制材料性能的衰减，提高催化剂长时间工作的稳定性。

虽然该策略在体积能量密度方面存在局限，但其在大型固定电源供给和大规模电合成等实际应用场景中仍具有广阔前景。流动催化剂不仅稳定性更高，且易于回收再利用，长期工作成本远低于固定催化剂。综合考虑体积能量密度与成本，该策略有望与新型催化剂的开发相结合，发展成为一种普适的提高电催化体系性能和稳定性的简单高效方法。

这项工作以封面文章形式发表在CCS Chemistry 2020年第一期，并被美国化学会新闻周刊Chemical & Engineering News (C&EN)报道。牛津大学Richard G. Compton教授评价道："这项工作具有开创性意义，它将单颗粒撞击实验从学术研究领域扩展到实际应用，并表明这种策略可以带来显著的效益。"

引用信息：
Fluidized Electrocatalysis
Yi-Ge Zhou, Yijin Kang, and Jiaxing Huang
Link: https://doi.org/10.31635/ccschem.020.201900065
Citation: CCS Chem. 2020, 2, 31–41

本文原文来自CCS Chemistry