湖南大學周一歌教授與美國西北大學黃嘉興教授及電子科技大學康毅進教授合作，創(chuàng)新性地提出 “流動電催化”（Fluidized Electrocatalysis）策略，顯著提高了電催化劑的抗疲勞性能和穩(wěn)定性，甚至可以讓很不穩(wěn)定的催化劑達到持久穩(wěn)定的催化效果。研究成果以“Fluidized Electrocatalysis”為題，于2020年2月12日發(fā)表于在《中國化學會會刊（英文）》（CCS Chemistry）上，論文鏈接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.020.201900065。 論文發(fā)表后，美國化學會新聞周刊（Chemical?& Engineering News (C&EN)以Free-floating electrocatlysts outperform tethered ones報道（https://cen.acs.org/synthesis/ catalysis/Free-floating-electrocatalysts-outperform-tethered/98/web/2020/02）。

圖1 流動電催化

在電催化反應(yīng)中，催化劑材料通常被粘附在電極上，比如碳電極的表面，而后浸入電解液中進行長時間、連續(xù)的電化學反應(yīng)（圖1a）。電催化反應(yīng)有一些普遍的疲勞機制，例如反應(yīng)中間體可能導致催化劑表面中毒，催化劑顆粒在長時間的電化學“壓力”下發(fā)生團聚、燒結(jié)、溶解或鈍化等。另外，反應(yīng)活性物種到催化劑表面的擴散受限也會導致催化電流衰減。催化劑疲勞會大大降低催化劑的工作效率，縮短其壽命，導致整個電化學體系性能下降。針對此問題，傳統(tǒng)的策略是從催化劑本身出發(fā)調(diào)控其表面狀態(tài)和化學成分，或通過改進催化劑載體材料來防止催化劑顆粒的聚集和脫落，然而由于催化劑疲勞機制多種多樣、催化劑及其載體的材料、成分和結(jié)構(gòu)也各不相同，這些針對于催化材料本身的解決方案往往只適用于特定的催化劑，不具有普適性。湖南大學周一歌教授、美國西北大學黃嘉興教授及電子科技大學康毅進教授合作，創(chuàng)新性地提出“流動電催化”的新策略來提高電催化劑的抗疲勞性能（圖1b）：催化劑顆粒并非以傳統(tǒng)方式固定在電極上，而是在電解液中流動。

單個顆粒與電極碰撞時產(chǎn)生瞬態(tài)法拉第電流積累起來，輸出連續(xù)、穩(wěn)定、可隨催化劑用量不斷增大的電流。對每一個催化劑顆粒而言，電場只在粒子與電極發(fā)生碰撞時才會作用于粒子并驅(qū)動電子轉(zhuǎn)移，從而極大地降低了電化學壓力作用于催化劑顆粒上的時間尺度，抑制了許多常見的疲勞機制。同時，流動模型在空間和時間上將電子轉(zhuǎn)移步驟從其它相對較慢的電極反應(yīng)步驟（如物質(zhì)傳質(zhì)過程）分開，使得電極反應(yīng)不再受傳質(zhì)限制，因而，流動催化劑還將經(jīng)歷更快的反應(yīng)動力學。                    

該工作以最典型的Pt/C顆粒為模型催化劑，首先在碳微電極上分析了Pt/C單顆粒的析氧反應(yīng)電化學行為，如顆粒碰撞頻率、碰撞時間尺度、單顆粒產(chǎn)生的催化電流強度等。隨后證明流動催化模型的輸出電流表現(xiàn)出隨電極面積及催化劑顆粒濃度的增大而增加的特征，而固定催化模型的輸出電流則隨催化劑負載量的增加很快達到飽和。同時通過計算，發(fā)現(xiàn)由于傳質(zhì)更加有效，流動體系中單顆粒的電流效率比固定體系高出兩到三個數(shù)量級。這也是為什么流動體系中單位時間內(nèi)同時參加反應(yīng)的催化劑顆粒數(shù)遠遠小于固定體系，卻依然能達到與后者相差不大的電流輸出的原因。隨后，該工作以析氧反應(yīng)（OER）、甲醇氧化反應(yīng)（MOR）及析氫反應(yīng)（HER）三個經(jīng)典電催化反應(yīng)為模型，驗證了流動電催化策略的確可極大緩解一系列不同催化劑疲勞機理。

綜上所述，該工作提出的流動電催化策略，將催化劑顆粒的工作模式由傳統(tǒng)的長時間、連續(xù)性工作轉(zhuǎn)變?yōu)檩喠?、間斷性工作，避免了電化學壓力的不斷積累，同時，催化劑顆粒將經(jīng)歷更快的反應(yīng)動力學并輸出更高的電流效率，有利于抑制材料性能的衰減。同時，流動催化劑較固定催化劑具有更高的穩(wěn)定性，且易于回收及再利用，因此長時間的工作成本將遠遠低于固定催化劑。該策略有望發(fā)展成一種普適的提高電催化體系總體性能及穩(wěn)定性的簡單、高效的新方法。