请收下这篇准确测量电催化的指南

电化学在能量存储和转换方面有着广泛应用，因而成为纳米材料中的重要领域。随着合成和表征技术的日益完善，研究者们对于氢析出(HER)，氧析出(OER)，氧还原(ORR)和二氧化碳还原(CO2RR)等催化反应机理的认识也有着长足的进步。

众多论文引出的问题是如何合理的比较纳米材料的催化活性。

国际领先纳米材料期刊ACS Nano的主编们专门制定了一套准确测量电催化的指南，希望能帮助广大研究者更加客观的报道纳米材料的催化性能。

标准电极电势是一个电催化反应的热力学属性，往往我们需要在负载催化剂的电极上施加一个比标准电势更高的电势来驱动反应进行，这个电势和平衡电势的差值被称为过电势 (η)。

起始电位如图1a的箭头所示，即极化曲线（或循环伏安）上由非法拉第电流变为法拉第电流的转折点。一般过电势和起始电位被认为是评估催化性能的重要指标。除了热力学参数以外，动力学以及反应机理等信息可以从Tafel曲线中得到，即电流密度的对数和过电势的关系曲线（如图1b所示）。Tafel斜率的数值代表了特定的反应路径，在测量这个参数时电势应当覆盖足够的范围（到达150 mV过电势），这样才能更准确的认识所研究的电极反应动力学。

图1

（a）极化曲线（b）Tafel曲线（c）平面电极（d）纳米结构电极

评估纳米材料活性的一个非常重要的参数是电极的表面积。纳米材料所表现出来的电化学活性表面积往往和他们的几何面积有很大差别（图1c和d）。电化学表面积一般可以通过非法拉第电流（充电电流）求出。在双电层区扫描得到的电流和扫速成正比，斜率即为双电层电容。双电层电容和平面电极电容的比被称为粗糙度。电化学活性表面积可以通过粗糙度和几何尺寸的乘积得出。值得注意的是，对于无活性的纳米材料（如纳米碳颗粒）来说，用双电层电容测出的面积比实际偏高，所以电化学活性面积应通过欠电位沉积或电子显微镜等方法获得。在比较电流密度的时候，一定要采用电化学活性面积来归一化电流。在不考虑电化学面积的情况下，可以采用反转效率（TOF，反应产物数量/催化剂数量）来评价催化性能。

在测量电催化活性的时候，大家往往采用三电极系统：工作电极、参照电极和对电极。其中工作电极通常由玻碳电极构成，用以负载催化剂纳米颗粒。电流通常经过外部电路，在工作电极和对电极之间流通。采用玻碳材质的工作电极需要很高的洁净度以及很低的粗糙度，这样才不会对催化剂本身性能的测量造成影响。

在选择对电极材料的时候，需要保证它们不会引入活性物种，比如Pt在酸性下不适合做对电极。在研究二氧化碳还原的时候，不推荐使用碳电极，因为反应产物可能被污染。

无论如何，细致的分析总没有错，可以使我们更好的理解电化学分析，从而得出更高效的实验结果。希望上述指南可以帮助大家标准化纳米材料的催化性能，减少假阳性等试验结果。

原文地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b07700

本文由材料人科技顾问Dr.Y供稿，材料人编辑部编辑。

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