氢经济与催化材料稳定性

1970年，氢经济的概念开始出现。氢经济作为一种清洁、安全和可再生的新模式，已展现出比化石燃料更具发展潜力的优势，其核心在于通过燃料电池释放太阳能等能量。催化材料的稳定性是评价其性能的关键指标，而电解液环境对材料稳定性的影响最为显著——多数催化剂在强酸或强碱条件下易被腐蚀。

稳定性评价方法

电催化中通常采用两种方法评估材料稳定性：

• 循环伏安（CV）测试：在特定电压区间内进行连续CV扫描，若多次扫描后催化剂过电位变化较小，则表明材料稳定性优异。
• 恒电流/电压测试：在电极两端施加恒定电流/电压，通过电化学工作站监测电压/电流随时间的变化。变化幅度越小且持续时间越长，材料稳定性越高。

电化学活性面积与活性位点

电化学活性面积（ECSA）用于衡量材料活性位点的数量，可通过双电层电容计算得出。双电层电容的测量方法包括：在非法拉第区间内，测试电荷量与扫描速率的关系，或通过电化学阻抗谱进行ECSA计算。需注意，ECSA仅反映活性位点数量，并非所有位点均能参与催化反应。

传统催化剂的局限性

传统纳米结构催化剂存在以下问题：

• 需依赖聚合物粘合剂将纳米材料附着于电极表面，导致电阻增大并覆盖部分活性位点。
• 纳米材料导电性不足，需额外添加碳黑增强导电性，但碳材料在高电压下易氧化腐蚀，降低电极性能。
• 反应过程中产生的气泡可能剥离催化剂涂层，影响材料稳定性。

自支撑与3D电极的优势

自支撑催化剂可有效规避上述问题，其三维化阵列结构更利于电解液和气体的传输。为提升电极性能，常采用增加负载量的策略，但传统电极负载能力有限。因此，科研人员开发了石墨烯基、碳纸、碳布、泡沫金属或金属网格等多种3D电极材料，这些材料在电解水领域应用广泛。

多级多孔3D电极的必要性

当前多数3D电极（如碳纸、泡沫镍）因固定尺寸导致催化剂负载量受限，性能提升受阻，且缺乏宏观多孔结构会降低传质能力。因此，构建具备多级多孔结构的3D电极是解决这一问题的关键途径。

上一篇：3D打印石墨烯电解水性能突破关键
下一篇：氢能曙光电解水制氢的技术突破与挑战