ORR 和 OER 在清洁能源中发挥什么作用？电催化剂测试

ORR 和 OER 是决定许多清洁能源设备转换和储存电能效率的两种主要反应。 氧还原反应（ORR）主要发生在低温燃料电池的阴极，在此过程中，氧气接受电子生成水或其他还原产物。析氧反应（OER）推动水电解中的逆向过程，在此过程中，水被氧化生成氧气、质子和电子。由于这两种反应的动力学都较为缓慢，因此需要高效的电催化剂和精确的测试，以减少能量损失并验证长期性能。

ORR 和 OER 是燃料电池、电解槽以及某些可充电电池中的核心电化学瓶颈。专业实验室设备必不可少，因为它能够将催化剂的本征行为与电极制备不佳、传质失控、电池泄漏或测试条件不稳定所造成的误差区分开来。

ORR 和 OER 为何对清洁能源至关重要

ORR 实现燃料电池发电

在低温燃料电池中，ORR 发生在阴极。氧气被还原，而电子则通过外部电路传输，从而为电池的电输出做出贡献。

与阳极的氢氧化反应相比，该反应通常较为缓慢。这种缓慢的阴极动力学会产生活化过电位，也就是说，需要额外的电压才能达到实际应用所需的反应速率。

OER 实现氢气制备

在水电解过程中，OER 发生在阳极。水失去电子并形成氧气，而氢气则在相对的电极上生成。

OER 包含多个质子或氢氧根转移步骤以及含氧表面中间体。其缓慢的动力学使其成为电解所需电压的重要组成部分。

两种反应都会影响系统效率

能够加速 ORR 或 OER 的催化剂可以降低相关过电位。较低的过电位通常意味着更高效的能量转换：燃料电池具有更高的功率输出，或电解过程消耗更少的电能。

同样的原理也适用于可充电含氧电池，包括锂-氧电池系统。在这些电池中，ORR 和 OER 分别控制放电过程中的氧还原和充电过程中的氧析出。

电催化剂为何难以评估

活性不仅仅是单一的电流值

高性能电催化剂应在较低过电位下提供较高的反应速率。因此，研究人员可能会考察极化曲线、起始电位、ORR 半波电位、电流密度以及其他动力学指标。

这些测量结果必须结合催化剂负载量、电极面积、氧气浓度、电解质组成和传质等因素进行解读。如果缺乏标准化条件，两种材料可能仅仅因为测试方式不同而表现出差异。

耐久性与初始活性同样重要

催化剂可能因溶解、氧化、结构重组、碳腐蚀、脱落或催化剂层结构变化而失去性能。

长期循环、计时安培法以及重复充放电测量有助于确定催化剂能否在实际运行应力下保持其活性。

选择性会影响设备寿命

ORR 可以通过直接生成水的反应路径进行，也可以通过生成过氧化氢的寄生性双电子路径进行。过氧化氢会降低效率，并导致电极组件发生降解。

因此，测试不仅要评估氧气还原的速率，还要评估所生成的产物以及该反应对周围电极环境的影响。

专业实验室设备所能提供的支持

受控的电化学测量

恒电位仪/恒电流仪可控制电极电位或电流，同时测量由此产生的电化学响应。这使研究人员能够量化反应动力学、过电位、电流密度和稳定性。

线性扫描伏安法、循环伏安法、计时安培法和恒电流循环等技术可以揭示催化剂行为的不同方面。

分离催化剂的本征性能

三电极半电池使用涂覆催化剂的工作电极、对电极和参比电极。这种配置能够独立测量工作电极的行为，避免受到许多全电池变量的影响。

对氧气或空气进行受控吹扫还有助于建立明确的反应环境。在整机集成之前，这样可以更可靠地评估 ORR 或 OER 的本征活性。

传质控制

旋转圆盘电极（RDE）通过调节旋转速度，控制溶解氧输送至催化剂表面的过程。这有助于区分反应动力学和扩散限制。

如果缺乏传质控制，催化剂可能因有利的流体运动而显得活性很高，也可能因氧气输送不足而显得性能较弱。

电极制备质量为何重要

催化剂层必须均匀

在涂覆之前，催化剂浆料必须充分且一致地混合和分散。分布不均可能导致催化剂负载量、电导率、孔隙率和电解质可及性存在局部差异。

浆料混合机、分散系统和精密薄膜涂布机有助于在选定的基底或扩散层上制备具有良好重复性的催化剂层。

附着力和孔隙率会影响测量结果

附着不牢的催化剂层可能在测试过程中脱落，而过于致密的催化剂层则可能限制气体和电解质传输。这两种问题都会扭曲测得的活性和耐久性。

受控的涂覆和压制工艺有助于建立一致的层厚、孔隙率、压实程度和机械稳定性。

良好的制备工艺可减少实验伪影

如果电极基底不均匀，测得的响应可能反映的是结构缺陷，而不是催化剂化学性质。可靠的制备工艺能够更容易地提取有意义的动力学参数，并比较不同催化剂之间的性能。

在研究计算方法预测的机理时，这一点尤其重要，例如研究改变电子结构或优化含氧中间体的结合是否能够改善性能。

使用哪些测试配置？

三电极半电池测试

半电池通常包括：

• 工作电极：待研究的涂覆催化剂电极。
• 对电极：用于完成电路的惰性导电电极。
• 参比电极：提供明确电位参考的稳定电极。

将其连接至恒电位仪后，这种配置非常适合在受控的电解质和气体条件下测量本征动力学、过电位、反应机理和稳定性。

用于 ORR 的 RDE 测试

RDE 测量广泛用于在受控流体动力学条件下比较 ORR 催化剂。旋转会改变氧气向电极表面的传输，从而帮助研究人员将动力学电流与扩散限制电流区分开来。

因此，RDE 测试适用于筛选催化剂活性，以及评估组成、结构或掺杂对氧还原的影响。

密封或全电池测试

Swagelok 型或类似的密封测试电池可以容纳空气阴极、隔膜、锂阳极、集流体和受控的氧气氛围。这类电池适用于可充电锂-氧电池研究。

电池测试仪和多通道恒电位仪/恒电流仪系统可以测量充放电曲线、容量保持率、循环寿命、电池电压和往返效率。

了解其中的权衡

半电池能够提供控制，但无法完全模拟器件实际情况

半电池测试可以分离催化剂行为，通常是初步筛选的最佳步骤。然而，它可能无法再现完整燃料电池或电解槽中的压力、湿度、气体分布、电流密度、界面和电极结构。

因此，有前景的材料必须在逐步接近实际情况的电池中进行验证。

高活性并不保证耐久性

催化剂可能在初始极化性能方面表现出色，却在循环过程中迅速降解。评估时应综合考虑活性、选择性、稳定性、材料成本以及与目标设备的兼容性。

设备越多并不一定会产生更好的数据

专业仪器可以改善控制，但前提是配合适当的校准、参比电极管理、一致的催化剂负载量、欧姆损耗校正以及明确定义的测试方案。

即使使用先进设备，糟糕的实验设计仍可能产生误导性结果。

全电池结果包含许多变量

在完整器件中，性能不仅取决于催化剂，还取决于膜、隔膜、气体扩散层、电解质、集流体、温度、压力和电池组装方式。

全电池测试对于实际验证至关重要，但它应当补充而不是取代经过良好控制的半电池测量。

根据目标选择合适的方法

采用分阶段测试策略：首先确定催化剂的本征行为，然后在实际器件配置中确认其性能和耐久性。

• 如果您的主要重点是 ORR 催化剂筛选：使用制备一致的催化剂层、受控的氧气传输方式（如 RDE 测试）以及恒电位测量，以比较活性、选择性和动力学行为。
• 如果您的主要重点是 OER 催化剂开发：使用具有受控电位测量的三电极半电池，量化过电位、电流密度和长期稳定性。
• 如果您的主要重点是燃料电池性能：将半电池 ORR 测试与制备规范的膜电极组件和全电池功率测量结合起来。
• 如果您的主要重点是水电解：首先评估 OER 动力学和耐久性，然后在实际运行条件下验证电解槽电压和产气性能。
• 如果您的主要重点是可充电锂-氧电池：同时使用受控的三电极配置和气密性良好的全电池测试夹具，以测量本征机理、循环行为和往返效率。

可靠的电催化剂开发取决于将准确的化学研究与受控的制备、测量和全器件验证相结合。

总结表：

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