一种改进的旋转盘电极装置用于测试非标准形状的电极：在流体动力学条件下，模型去湿化铂纳米颗粒与铂薄膜的氢气释放性能比较

《ChemElectroChem》：An Adapted Rotating Disk Electrode Setup to Test Nonstandard-Disk Electrodes: On the Enhanced Hydrogen Evolution Performance of Model Dewetted Pt Nanoparticles Versus Pt Thin Films under Hydrodynamic Conditions

氢能技术中，催化剂性能评估需排除质量传输干扰。本研究通过设计旋转圆盘电极（RDE）适配器，成功将非标准电极（如热脱湿Pt纳米颗粒电极）接入常规RDE系统。利用外球层红ox探针验证适配器有效维持质量传输条件，对比发现Pt纳米颗粒电极在静态及动态（1000 rpm）条件下的HER活性均显著高于薄膜电极，且性能提升与电子结构调控相关的动力学机制相关，而非质量传输效应。该适配器为研究复杂形貌催化剂提供了标准化平台。

　　在当前全球能源转型和碳中和目标日益明确的背景下，氢气作为一种清洁、可再生的能源载体，正成为实现可持续发展的重要方向之一。水电解技术被认为是生产氢气的一种绿色方法，其原理是通过水的电解反应将电能转化为氢能，而这一过程的效率在很大程度上取决于电催化剂的性能。为了评估电催化剂在电解装置和燃料电池中的表现，科学家们通常采用旋转圆盘电极（RDE）等技术手段，以模拟特定的传质条件。然而，传统的电催化剂通常以墨水形式沉积在标准圆盘电极上，这种沉积方式在一定程度上限制了对催化剂本质性能的深入研究。因此，近年来，研究者开始探索无需墨水的物理和化学气相沉积方法，以制备更精确的模型电催化剂。这些模型电催化剂，如铂（Pt）纳米颗粒（NPs）或薄膜，因其结构和性能的可控性，被认为更适合用于揭示催化剂组成与结构之间的基本关系。

然而，这些模型电催化剂通常被制备在非标准圆盘电极（NSDE）上，而传统RDE装置无法直接用于这些电极的测试。为了解决这一问题，本文提出了一种定制化的RDE适配器，使得NSDE电极可以在常规RDE系统中进行测试。该适配器的设计旨在模拟标准RDE的传质条件，从而确保实验结果的准确性。通过使用快速的外球红ox探针（如K?[Fe(CN)?]），研究者验证了适配器在不同旋转速率下提供的传质条件与标准RDE相似，从而为后续的电化学测试奠定了基础。

本文重点研究了Pt/FTO电极在酸性电解质中的氢析出反应（HER）活性。研究中比较了两种不同的Pt电极结构：一种是通过溅射沉积形成的Pt薄膜（Pt/FTO-TF），另一种是通过热处理导致的Pt纳米颗粒（Pt/FTO-NP）。通过在静态和动态条件下进行循环伏安法（CV）测试，研究发现，尽管Pt纳米颗粒的电化学活性表面积（ECSA）相比薄膜降低了约50%，但其HER活性却显著更高。这一现象表明，Pt纳米颗粒的高活性并非源于传质条件的改善，而是由于其与电极基底之间的金属-支持体相互作用，这种相互作用改变了催化剂活性位点的电子结构，从而加速了HER的反应动力学。

为了进一步确认这一结论，研究者在不同的旋转速率下测试了两种电极的HER性能。结果表明，在静态条件下（0 rpm），Pt纳米颗粒的HER比Pt薄膜高出约4倍，而在动态条件下（如1000 rpm），其比Pt薄膜高出约5倍。值得注意的是，当旋转速率增加到一定程度（如1000 rpm），HER电流不再显著提升，这表明在这一条件下，传质效应已不再是限制因素，而催化剂本身的性能才是决定HER活性的关键。此外，Tafel斜率的分析进一步支持了这一观点，即在旋转速率增加的情况下，Tafel斜率的降低表明反应动力学得到了改善，而非传质效应的影响。

这一研究不仅为评估新型电催化剂提供了重要的实验方法，也为理解催化剂-支持体相互作用在提升电化学性能中的作用提供了新的视角。在燃料电池和电解装置中，电催化剂的性能直接影响系统的能量转换效率和经济性。因此，如何在不依赖传统墨水沉积方式的前提下，实现对电催化剂性能的准确评估，成为当前研究的热点。本文所提出的RDE适配器，不仅解决了NSDE电极测试中的技术难题，也为未来的催化剂设计和优化提供了重要的工具。

从实际应用角度来看，Pt纳米颗粒因其独特的物理化学性质，被认为是提高HER活性的有效候选材料。通过热处理技术，如固态退火（SSD），可以在电极表面形成均匀分布的Pt纳米颗粒，这不仅提高了催化剂的表面利用率，还可能通过表面结构的调控优化催化活性。然而，传统测试方法由于使用墨水沉积，可能引入额外的干扰因素，如催化剂负载不均、电极表面不平整等，这些都会影响实验结果的准确性。因此，本文提出的适配器能够提供更接近真实条件的传质环境，从而更准确地反映催化剂的本质性能。

此外，研究还发现，HER活性不仅与催化剂的结构有关，还受到电极表面润湿性和气泡行为的影响。例如，在静态条件下，气泡的形成和滞留可能限制反应物的扩散，从而降低HER活性。而在动态条件下，通过增加旋转速率，可以有效促进气泡的脱落和反应产物的去除，从而改善传质条件。然而，实验结果表明，即使在动态条件下，Pt纳米颗粒的HER活性仍然显著高于Pt薄膜，这进一步验证了其高活性的内在性。

本研究的发现对于未来电催化剂的设计和应用具有重要意义。一方面，它表明通过优化催化剂-支持体之间的相互作用，可以显著提升电化学反应的效率；另一方面，它也强调了在评估催化剂性能时，必须采用能够准确模拟实际传质条件的实验方法。随着氢能源技术的不断发展，对高效、稳定电催化剂的需求将持续增长。因此，本文提出的RDE适配器和相关测试方法，为这一领域的研究提供了新的思路和工具。

在实际应用中，Pt纳米颗粒电极不仅可以用于燃料电池和电解装置，还可以为其他电化学反应提供新的研究方向。例如，氧析出反应（OER）或其他电催化反应，可能也受到类似催化剂-支持体相互作用的影响。因此，本文的研究方法不仅适用于HER的评估，还可能扩展到其他电化学过程的分析中。此外，随着材料科学的进步，更多具有特殊结构和性能的电催化剂将被开发出来，而如何在这些新型材料中准确评估其性能，将成为未来研究的重点。

从技术角度来看，本文所使用的RDE适配器设计合理，能够有效解决NSDE电极在RDE系统中的兼容性问题。适配器的结构优化使得电极表面的传质条件与标准RDE电极相似，从而保证了实验结果的可比性。这一适配器的设计理念为其他非标准电极的测试提供了参考，尤其是在需要高精度传质条件控制的研究中。

总体而言，本文的研究不仅为理解Pt纳米颗粒在HER中的高活性提供了重要的理论依据，还为电催化剂的制备和测试方法的改进提供了实践指导。随着氢能源技术的不断进步，电催化剂的性能评估将成为推动该领域发展的关键环节。本文所提出的方法，有助于更准确地评估催化剂的本质性能，从而为未来高效、低成本的电催化剂开发奠定基础。