湖南大學(xué)周一歌教授與美國西北大學(xué)黃嘉興教授及電子科技大學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)致催化劑表面中毒，催化劑顆粒在長時間的電化學(xué)“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(dǎo)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(dǎo)致整個電化學(xué)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(xué)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(xué)周一歌教授、美國西北大學(xué)黃嘉興教授及電子科技大學(xué)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(xué)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(xué)。                    

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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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。