來源：材料牛,本文由材料人科技顧問Dr.Y供稿，材料人編輯部編輯。

電化學在能量存儲和轉換方面有著廣泛應用，因而成為納米材料中的重要領域。隨著合成和表征技術的日益完善，研究者們對于氫析出(HER)，氧析出(OER)，氧還原(ORR)和二氧化碳還原(CO2RR)等催化反應機理的認識也有著長足的進步。

眾多論文引出的問題是如何合理的比較納米材料的催化活性。

國際領先納米材料期刊ACS Nano的主編們專門制定了一套準確測量電催化的指南，希望能幫助廣大研究者更加客觀的報道納米材料的催化性能。

標準電極電勢是一個電催化反應的熱力學屬性，往往我們需要在負載催化劑的電極上施加一個比標準電勢更高的電勢來驅動反應進行，這個電勢和平衡電勢的差值被稱為過電勢 (η)。

起始電位如圖1a的箭頭所示，即極化曲線（或循環伏安）上由非法拉第電流變為法拉第電流的轉折點。一般過電勢和起始電位被認為是評估催化性能的重要指標。除了熱力學參數以外，動力學以及反應機理等信息可以從Tafel曲線中得到，即電流密度的對數和過電勢的關系曲線（如圖1b所示）。Tafel斜率的數值代表了特定的反應路徑，在測量這個參數時電勢應當覆蓋足夠的范圍（到達150 mV過電勢），這樣才能更準確的認識所研究的電極反應動力學。

圖1

（a）極化曲線（b）Tafel曲線（c）平面電極（d）納米結構電極

評估納米材料活性的一個非常重要的參數是電極的表面積。納米材料所表現出來的電化學活性表面積往往和他們的幾何面積有很大差別（圖1c和d）。電化學表面積一般可以通過非法拉第電流（充電電流）求出。在雙電層區掃描得到的電流和掃速成正比，斜率即為雙電層電容。雙電層電容和平面電極電容的比被稱為粗糙度。電化學活性表面積可以通過粗糙度和幾何尺寸的乘積得出。值得注意的是，對于無活性的納米材料（如納米碳顆粒）來說，用雙電層電容測出的面積比實際偏高，所以電化學活性面積應通過欠電位沉積或電子顯微鏡等方法獲得。在比較電流密度的時候，一定要采用電化學活性面積來歸一化電流。在不考慮電化學面積的情況下，可以采用反轉效率（TOF，反應產物數量/催化劑數量）來評價催化性能。

在測量電催化活性的時候，大家往往采用三電極系統：工作電極、參照電極和對電極。其中工作電極通常由玻碳電極構成，用以負載催化劑納米顆粒。電流通常經過外部電路，在工作電極和對電極之間流通。采用玻碳材質的工作電極需要很高的潔凈度以及很低的粗糙度，這樣才不會對催化劑本身性能的測量造成影響。

在選擇對電極材料的時候，需要保證它們不會引入活性物種，比如Pt在酸性下不適合做對電極。在研究二氧化碳還原的時候，不推薦使用碳電極，因為反應產物可能被污染。

無論如何，細致的分析總沒有錯，可以使我們更好的理解電化學分析，從而得出更高效的實驗結果。希望上述指南可以幫助大家標準化納米材料的催化性能，減少假陽性等試驗結果。

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