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

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而非固定在电极上，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。这一突破性研究以封面文章形式发表在CCS Chemistry 2020年第一期，并获得国际同行的高度评价。

在电催化反应中，催化剂材料通常被粘附在电极（如碳电极）表面，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、溶解或钝化等现象。此外，反应活性物种向催化剂表面的扩散受限也会导致催化电流衰减。这些因素都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，传统的解决方案主要集中在催化剂本身，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材料特性各异，这些解决方案往往缺乏普适性。

图1. 传统固定催化与流动催化模型对比

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全新的“流动电催化”策略（图1b）。在这种模型中，催化剂颗粒不是固定在电极上，而是在电解液中流动。当单个颗粒与电极碰撞时会产生瞬态法拉第电流，这些电流积累起来可以输出连续、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作用于粒子并驱动电子转移，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。

图2. Pt/C单颗粒析氧反应电化学行为分析

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，流动电催化策略可以有效缓解催化剂颗粒的团聚与溶解、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。

图3. 析氧反应（OER）实验结果

图4. 甲醇氧化反应（MOR）和析氢反应（HER）实验结果

这项研究提出的流动电催化策略，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，催化剂颗粒将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与大规模电合成等实际应用场景中仍具有重要价值。此外，流动催化剂的高稳定性和易于回收再利用的特点，使其在长期运行成本上具有显著优势。这一策略有望发展成为一种普适的提高电催化体系总体性能及稳定性的简单高效方法。

该工作以封面文章形式发表在CCS Chemistry 2020年第一期，并于近期被美国化学会新闻周刊Chemical & Engineering News (C&EN)报道。牛津大学Richard G.Compton教授评价该工作为：“这项工作具有开创性意义，它将单颗粒电催化领域的撞击实验扩展到了实际应用中，并表明这种策略可以带来显著的效益。”

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