浅析OER测试方法与原理

Q1：碱性OER测试中如何制备工作电极？

A：

1. 催化剂墨水配制

• 取6-10 mg催化剂粉末

• 加入1 mL水/异丙醇混合溶液（体积比通常3:1，增强分散性）

• 添加10 μL 5% Nafion溶液（粘结剂与质子导体）

• 超声处理30 min（功率≥100 W，确保均匀悬浊液）
  依据：J. Electrochem. Soc. 160 (11) F1063 (2013)

• 涂覆与干燥

• 移取10 μL悬浊液滴涂于玻碳旋转圆盘电极（直径5 mm）

• 室温干燥或红外灯烘干（避免高温分解）
  *注：催化剂负载量≈0.3-0.5 mg/cm²*

Q2：三电极体系如何设置？电解液如何配制？

A：

1. 电极配置

• 工作电极：催化剂修饰的旋转圆盘电极（RDE）

• 对电极：铂丝/碳棒（需与工作电极隔离）

• 参比电极：Hg/HgO (1 M KOH)
  依据：ACS Catal. 7, 6756 (2017)

• 电解液制备

• 1 M KOH溶液：称取56.1 g KOH（分析纯）溶于1 L超纯水（18.2 MΩ·cm）

• 通氮气30 min除氧（氧含量

Q3：极化曲线测试关键参数是什么？如何计算过电位？

A：

1. LSV测试条件

• 电势窗：0.2-0.9 V vs. Hg/HgO

• 扫速：0.05 mV/s（准稳态条件）

• 转速：1600 rpm（消除传质影响）

• 数据处理

Q4：Tafel斜率如何获取？其物理意义是什么？

                                    不同催化剂的极化曲线与Tafel斜率

A：

1. 作图方法

• 取LSV的Tafel区（通常 > 50 mV过电位）

• 纵轴：过电位η (V)

• 横轴：log|j| (mA/cm²)

• 线性拟合斜率即Tafel斜率

• 动力学意义

  Tafel斜率	决速步机制
  120 mV/dec	首电子转移 (M + OH⁻ → M-OH + e⁻)
  40 mV/dec	O-O耦合步骤 (2M-OH → M-OOH + H⁺ + e⁻)
  30 mV/dec	终步骤脱氧 (M-O → M + 1/2O₂)
  依据：Chem. Rev. 116, 14120 (2016)

Q5：稳定性测试有哪些方法？如何判断失效？

A：

1. 计时电流法（CA）

• 固定电压：$E_{j=10 text{mA/cm}^2}$

• 测试时长：≥24 h

• 失效标准：电流衰减 > 20%

• 计时电位法（CP）

• 固定电流密度：10 mA/cm²

• 失效标准：电压上升 > 50 mV

• 循环稳定性

• CV循环：0.8-1.7 V vs. RHE，扫速100 mV/s

• 循环5000次后η₃₀变化

Q6：如何准确测量电化学活性面积（ECSA）？

             不同扫速下的CV图，在同一电势下的双电层电容和扫速的关系图                  

A：

1. 双电层电容法

• 在非法拉第区（如1.0-1.1 V vs. RHE）测CV

• 扫速：10, 20, 40, 60, 80, 100 mV/s

• 取中心电位（如1.05 V）的Δj = (j_a – j_c)/2

• 拟合Δj ~ ν直线，斜率=C_dl
  
  $C_{text{s}}$：标准电容（通常取60 μF/cm²）

• 误差控制

• 避免氧化还原区（需通过CV确认）

• 同批次玻碳电极空白校正
  依据：J. Am. Chem. Soc. 137, 4347 (2015)

Q7：电化学阻抗（EIS）谱如何分析？

                             不同电极的阻抗谱图以及拟合曲线

A：

• 测试条件：过电位η=300 mV，频率0.1-10⁵ Hz，振幅10 mV

• 等效电路：R_s(R_ctCPE)

  • R_s：溶液电阻（高频截距）

  • R_ct：电荷转移电阻（半圆直径）

  • CPE：常相位元件（双电层非理想性）

• 性能指标：R_ct越小，动力学越快

Q8：法拉第效率测试的关键步骤？

A：

1. 密闭电解池设计

• 阴极/阳极室用Nafion膜分隔

• 顶空预留气相采样口

• 在线气相色谱（GC）

• 载气：高纯氩气（流速20 mL/min）

• 检测器：TCD（O₂定量）

• 采样间隔：30 min

• 计算公式：
  FE=4×F×nO2Q×100%
  

  

  
  
  F：法拉第常数，Q：总电荷量
  依据：Nat. Energy 1, 16184 (2016)

关键操作陷阱与解决方案

关键注意事项

1. 所有电势必须经IR补偿及RHE校准

2. 对比实验需在相同玻碳电极基底进行

3. KOH电解液需每日更换防止碳酸盐污染

4. ECSA测量需三次重复取均值

本文源自微信公众号：一起学电池

原文标题：《浅析OER测试方法与原理》

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5MzLKik-i40wI0OcrwAEHg