氫經濟與催化材料穩定性

1970年，氫經濟的概念開始出現。氫經濟作為一種清潔、安全和可再生的新模式，已展現出比化石燃料更具發展潛力的優勢，其核心在于通過燃料電池釋放太陽能等能量。催化材料的穩定性是評價其性能的關鍵指標，而電解液環境對材料穩定性的影響最為顯著——多數催化劑在強酸或強堿條件下易被腐蝕。

穩定性評價方法

電催化中通常采用兩種方法評估材料穩定性：

• 循環伏安（CV）測試：在特定電壓區間內進行連續CV掃描，若多次掃描后催化劑過電位變化較小，則表明材料穩定性優異。
• 恒電流/電壓測試：在電極兩端施加恒定電流/電壓，通過電化學工作站監測電壓/電流隨時間的變化。變化幅度越小且持續時間越長，材料穩定性越高。

電化學活性面積與活性位點

電化學活性面積（ECSA）用于衡量材料活性位點的數量，可通過雙電層電容計算得出。雙電層電容的測量方法包括：在非法拉第區間內，測試電荷量與掃描速率的關系，或通過電化學阻抗譜進行ECSA計算。需注意，ECSA僅反映活性位點數量，并非所有位點均能參與催化反應。

傳統催化劑的局限性

傳統納米結構催化劑存在以下問題：

• 需依賴聚合物粘合劑將納米材料附著于電極表面，導致電阻增大并覆蓋部分活性位點。
• 納米材料導電性不足，需額外添加碳黑增強導電性，但碳材料在高電壓下易氧化腐蝕，降低電極性能。
• 反應過程中產生的氣泡可能剝離催化劑涂層，影響材料穩定性。

自支撐與3D電極的優勢

自支撐催化劑可有效規避上述問題，其三維化陣列結構更利于電解液和氣體的傳輸。為提升電極性能，常采用增加負載量的策略，但傳統電極負載能力有限。因此，科研人員開發了石墨烯基、碳紙、碳布、泡沫金屬或金屬網格等多種3D電極材料，這些材料在電解水領域應用廣泛。

多級多孔3D電極的必要性

當前多數3D電極（如碳紙、泡沫鎳）因固定尺寸導致催化劑負載量受限，性能提升受阻，且缺乏宏觀多孔結構會降低傳質能力。因此，構建具備多級多孔結構的3D電極是解決這一問題的關鍵途徑。

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