鑒定由地球豐富材料組成的用于析氧反應（OER）和析氫反應（HER）的高效電催化劑對于太陽能水分解裝置的開發至關重要。特別是用于水分解反應的新型電催化材料的發現是一個突出且不斷發展的研究領域。由于高通量組合技術在各種三元和四元組合空間中發現新的析氧反應（OER）和析氫反應（HER催化劑的廣泛使用，這個數字在未來幾年可能會急劇增加。然而在相同條件下測量和報告這些材料性能的可靠方法尚未得到統一應用，這使得對這些系統的催化活性和穩定性進行有意義的比較變得復雜。需要對OER和HER系統的催化性能評估進行標準化，以評估現有催化劑用于裝置集成的效用，提供實驗證據以幫助或證實催化劑系統的理論模型，并突出現有的技術差距，以幫助為新催化劑材料的開發提供信息。研究人員通過評估16種HER非貴金屬電催化劑在與集成人工光合裝置相關的條件下，在1 M NaOH或1 M H2SO4中陽光照射1次的綜合人工光合裝置相關條件下，進一步確定了這種基準方法作為HER催化劑性能的主要篩選的可行性。此外我們擴大了先前研究評估的OER催化劑的數量，包括23種非貴金屬電催化劑。還研究了鉑圓盤電極和鍍鉑鉑電極作為HER標準，并研究了濺射Ir催化劑和2種不同沉積的Ru催化劑作為OER標準。

Unisense微電極系統的應用

溶解的O2和H2濃度分別是由Unisense O2-500氧電極和H2-500氫電極定量測試，由Unisense Microsensor萬用表控制。O2-500氧電極在O2飽和溶液、空氣飽和(20.8%O2)和充飽和N2的溶液中進行3點校準。H2-500微電極在H2-飽和N2-填充的溶液中用點法校準。采用Weisenberg和Schumpe61的經驗氣體溶解度模型計算了在20°C下1 M H2SO4和1 M NaOH中溶解的氫氣的飽和濃度，使H2在1 M H2SO4中飽和=0.72 mM，在1 M NaOH中飽和=0.56 mM。

實驗結果

采用基準測試方案對16種HER和23種OER催化劑的性能進行了評估,這些催化劑由地球豐富的材料組成，在1 M NaOH和1 M H2SO4中電流密度為1 M與10%有效的太陽能水分解裝置陽光照明。每種材料都沉積在玻璃上碳基的活性、穩定性和電化學性能，測量了每種材料的活性表面積。在OER的情況下，大多數催化劑是在酸性條件下氧化不穩定。只有Ir,Ru-(a)和Ru-(b)在1 M H2SO4中表現出良好的活性和穩定性，保持10mA cm?2,電流密度η≤0.36 V后2小時持續的極化。結果表明，不同Ir和Ru催化劑的催化活性均有所提高在恒定極化下具有24小時的穩定性。所有非貴金屬催化劑，需要η>0.3 V驅動使電流密度達到10mA cm?2

圖1、定制的雙室電解池裝置照片:(A)壓縮接頭與特氟龍支架的工作電極，(B)密封的SCE參比電極，(C)C輔助電極，(D)Unisense Ox-500或H2-500微電極，和(E)0.007英寸Nafion-117膜。一般情況下，氣密密封采用密封圈或磨砂玻璃接頭。

圖2、HER(左)和OER(右)電催化劑在酸性(上)和堿性(下)溶液中的催化活性、穩定性和電化學活性表面積圖。x軸是在時間t=0時達到每幾何面積10mA cm?2所需的過電位。y軸是在t=2小時時達到每幾何面積10 mA cm?2所需的過電位。對角線虛線是一個穩定的催化劑的預期響應，在2小時恒定極化期間活性不變化。每個點的顏色表示一個數量級的大小的催化劑的粗糙度因子，淡綠色表示RF=1，暗紅色表示RF>104。每個點的大小與ECSA測量中的標準偏差成反比。基準測試感興趣的區域是圖中未著色的白色區域，在t=0和t=2 h時，每個幾何區域的過電位需要達到10 mA cm?2，小于0.55 V。

圖3、用NiMo-(a)在1 M NaOH中測定HER的代表性法拉第效率。測量在圖1所示的雙室體電解池裝置中進行，沒有頂空，所有氣體產品溶解在溶液中。在0.195 cm2的圓盤電極上以10 mA cm-2電流密度保持30分鐘。假設100%法拉第效率，從通過的電荷量(1.755 C)中預期的H2量顯示為一條紅色虛線。Unisense H2-500微電極檢測到的氫氣量顯示為實綠色線。本實驗測定的法拉第效率為ε=1.0。

圖4、用Co-(b)在1 M NaOH中測定HER的法拉第效率。測量在圖1所示的雙室體電解池中進行，沒有頂空環境，所有氣體產品溶解在溶液中。在0.195 cm2的圓盤電極上以10 mA cm-2電流密度保持30分鐘。假設100%法拉第效率，從通過的電荷量(3.510 C)中預期的O2量顯示為一條虛線。Unisense O2-500微電極檢測到的氧氣量顯示為實綠色線。本實驗測定的法拉第效率為ε=0.99。

圖5、1 M NaOH中Co/P-(b)法測定OER的代表性法拉第效率。測量是在圖1所示的雙室體電解池中進行的，沒有頂空空間，所有的氣體產物都溶解在溶液中。在0.195 cm2的圓盤電極上以10 mA cm-2電流密度保持30分鐘。假設100%法拉第效率，從通過的電荷量(3.510 C)中預期的O2量顯示為一條虛線。綠線顯示了Unisense O2-500微電極對沉積態Co/P-(b)催化劑檢測到的O2的量，藍線顯示了Co/P-(b)在10 mA cm-2恒定極化24小時后的量。在沉積過程中測定了法拉第效率催化劑ε=0.69，催化劑經過24 h恒極化后ε=0.94。

結論與展望

研究人員使用標準方案作為主要篩選方法，用于評估18種析氫反應(HER)電催化劑和26種產氧電催化劑的活性、短期(2 h)穩定性和電化學活性表面積(ECSA)。在酸性或堿性水溶液中與集成太陽能水分解裝置相關的條件下的演化反應（OER）。為了實現對于研究中的法拉第效率測量，研究人員使用了Unisense氧氣微電極和氫氣微電極定量測試了溶解的O2和H2濃度。Unisense微電極系統可以監測析氫反應(HER)電催化劑和產氧電催化劑后體系中生成的氣體（氧氣或氫氣）濃度，并從中得出總數，測定O2或H2的生成量。然后將所測得的O2或H2除以由此計算出的量，通過總電荷可以很好的確定法拉第的效率，從而獲得催化劑的相關催化活性性能。在相同條件下使用標準方法對電催化劑活性和穩定性進行客觀比較是必要的，以評估現有電催化劑集成到太陽能燃料設備中的可行性，并有助于為新催化系統的開發提供中重要信息。