突破性“流动电催化”策略：让催化剂动起来，实现持久高效催化

突破性“流动电催化”策略：让催化剂动起来，实现持久高效催化

在电催化领域，催化剂的疲劳和稳定性一直是一个困扰科学家的难题。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反应稳定性。

在传统的电催化反应中，催化剂材料通常被固定在电极表面，长时间浸入电解液中进行电化学反应（图1a）。然而，这种固定模式会导致多种疲劳机制，如催化剂表面中毒、颗粒团聚、溶解或钝化等，严重影响催化效率和寿命。

图1

针对这一问题，研究团队提出了“流动电催化”的新策略（图1b）：将催化剂颗粒从电极表面解放出来，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。这种间歇性的工作模式大大降低了电化学压力对催化剂的影响时间，有效抑制了疲劳机制。同时，流动模型还实现了电子转移与物质传质的时空分离，提高了反应动力学。

图2

研究团队以Pt/C颗粒为模型催化剂，详细分析了其在流动状态下的电化学行为（图2）。实验结果显示，流动催化模型的输出电流随电极面积和催化剂浓度的增加而线性增长，而固定模型则很快达到饱和。更重要的是，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。

为了验证这一策略的普适性，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3-4）。实验结果表明，流动电催化策略能够显著缓解催化剂的疲劳问题，即使在高过电位下也能保持良好的稳定性。

图3

图4

尽管流动电催化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应用场景中仍具有巨大潜力。此外，流动催化剂的高稳定性和易于回收的特点，使其在长期运行中的成本优势明显。

这项创新性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报道。牛津大学Richard G. Compton教授评价道：“这项工作开创性地将单颗粒撞击实验从学术研究扩展到实际应用，展示了显著的规模化潜力。”

参考文献：
Yi-Ge Zhou, Yijin Kang, and Jiaxing Huang. Fluidized Electrocatalysis. CCS Chem. 2020, 2, 31–41. https://doi.org/10.31635/ccschem.020.201900065