我所理解的氢燃料电池(第五章：催化剂-下)

5-5 催化剂的测试方法

对于催化剂的的性能测试，一个重要的方法是先获得膜电极(MEA)，采用单电池测试的方法进行催化性能的评估，膜电极的制备条件对电催化性能评估有非常大的影响，电池测试得到的性能是电催化剂所表现的总体性能，而无法完全代表电催化剂表面的催化机理性能表现。  

目前可通过旋转圆盘电极(RDE)和旋转环盘电极(RRDE)两种测试方法来测试电催化剂表面的催化机理性能，此两种方法不仅可以简单快速地表征电催化剂的性能，而且可以进一步研究电催化剂表面的氧还原反应机理。  

旋转圆盘电极（Rotating Disk Electrode，RDE）是一种在电化学研究和应用中广泛使用的电极装置。它主要由一个平的圆盘电极和一个能使电极绕其中心轴旋转的装置组成。电极材料通常是金属（如铂、金等）或其他导电材料，圆盘电极的一面与电解液接触并参与电化学反应。  

其工作原理的基本要点是物质传递和电流密度受控于电化学活性物质，而电化学活性物质的运动是按流体动力学规律进行的：  

1.强制对流：旋转圆盘电极通过旋转产生强制对流，使电解液在电极表面形成均匀的流动。这种强制对流可以有效地减少扩散层的厚度，提高物质传递速率，从而加速电化学反应的进行。  

2.传质控制：旋转圆盘电极的转速可以精确控制，从而控制电解液的流动速度和扩散层的厚度。通过改变转速，可以研究传质过程对电化学反应的影响，以及确定反应的动力学参数。  

3.电流密度分布均匀：由于旋转圆盘电极的强制对流作用，使得电极表面的电流密度分布更加均匀。这有助于提高实验结果的重复性和准确性。

图5-4 旋转圆盘电极  

旋转环盘电极（Rotating Ring-Disk Electrode，RRDE）是RDE的升级款：  

1.在结构上，它在旋转圆盘电极的基础上增加了一个环形电极，环绕在圆盘电极的外围。这个环形电极和圆盘电极之间是绝缘的，有各自独立的电路。  

2.在功能原理上，除了圆盘电极部分的传质控制作用外，还利用了环形电极的收集或检测功能。在电化学反应过程中，圆盘电极上产生的某些中间产物或反应产物会扩散到环形电极上。例如，在研究氧化还原反应时，圆盘电极上发生氧化反应产生的氧化产物可以扩散到环形电极上发生还原反应，通过检测环形电极上的电流，可以获得关于圆盘电极反应中间产物的信息，如中间产物的生成速率和扩散系数等。  

所以RRDE在研究复杂的电化学反应机理方面应用广泛，另外在一些涉及耦合反应的电化学过程中，例如同时存在氧化和还原过程且中间产物需要被检测的情况，RRDE 能够提供更全面的反应信息。  

5-6 催化剂的发展  

如前文所述，目前为止，Pt是最适合燃料电池的催化剂，没有之一，唯一能降低成本的方式只能是降低Pt的使用量，除了目前最广泛应用的Pt/C催化剂，还发展了Pt 单原子催化剂、铂合金催化剂、核壳结构催化剂：  

Pt 单原子催化剂是指将 Pt 原子以单个原子的形式均匀分散并负载在特定的载体上，每个 Pt 原子在载体上孤立存在，不形成团簇或纳米颗粒。这种独特的结构使得 Pt 原子的利用率达到最大化，即几乎每个 Pt 原子都能作为催化活性位点参与反应。  

铂合金催化剂是以铂为主要成分，并与其他金属元素形成合金的一类催化剂，常见的合金元素有钴、镍、铜、钯等。  

核壳结构催化剂是指以非铂材料为核，以铂为壳的电催化剂，该结构可以使铂的活性位充分暴露在催化剂表面，提高贵金属铂的利用率，外部的铂壳体可以保护内部非铂金属核，有效缓解合金中非铂金属的溶解问题，提高催化剂的稳定性。  

本质上来看，以上催化剂都是在以不同的方式减少Pt使用量，并非从根本上解决对Pt的依赖性，这让我想到了锂电行业，从一开始的电芯-模组-包体，到刀片电池，再到电池直接装到汽车底盘，都是从体积空间的利用率上来提高电量，并非从化学体系上来解决提高电量的问题。  

对于燃料电池来讲，非贵金属催化剂替代Pt基催化剂是燃料电池研究的最理想方向，其中主要以过渡金属氧化物、含过渡金属的氮掺杂碳材料和完全非金属的杂原子参碳材料为代表，非贵金属催化剂在酸性条件下的活性，尤其稳定性还是需要进一步提高的，就是这一步难如登天。  

接下来就用我对燃料电池行业的感受、感知、感觉来说一说催化剂的发展，首先要明确的是，我并非材料学出身，也不是从事催化剂研究，所以关于催化剂的学习记录是很浅显的，只能作为入门的基础知识来看待，不过对于我来讲已经够用了。  

要讲催化剂的发展，就要讲燃料电池的发展，再延伸就是氢能源的发展，燃料电池属于氢能源的中下游，也可以说是氢能源的应用端，所谓兵马未动，粮草先行，如果制氢、运氢、储氢发展不起来，燃料电池的发展就是巧妇难为无米之炊，何况还要考虑做出来这么贵的饭给谁吃的问题，这样看，催化剂的发展就遥遥无期了，只能淹没在学术研究中。  

如果不使用Pt来作为催化剂，正如锂电行业发展固态电池，是从根上解决问题，但是这需要时间、金钱，如果行业没发展起来，时间成本和资金成本怎么承担，锂电的发展历程还历历在目啊。就目前燃料电池行业现状来讲，能不能发展起来都是一个问题，说一句昧良心的话，我希望固态电池发展要缓慢一些，这样燃料电池的发展进程会提前一些。  

所以，个人觉得，燃料电池的催化剂在未来很长一段时间都会以Pt催化剂为主，先发展，先活下去才是最重要的，先有吃的，到吃饱，再到吃好的，这是市场规律，不以意志为转移。  

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