电催化剂活性与稳定性评估：从LSV、CV到耐久性测试的标准化方法

说明：本文华算科技系统阐述了电催化剂性能的两大核心评价维度：活性与稳定性。活性部分重点介绍了LSV（含起始电势、半波电势、塔菲尔斜率）、CV（活性位点计算）及CA/CP等测试方法的原理与评价参数；稳定性部分则涵盖循环伏安测试、长期CA/CP测试及加速耐久性测试（ADT）的标准与判断依据。

活性

 

活性是指电催化剂加速电极反应的能力，核心是“降低反应的活化能”——活化能越低，反应速率越快，催化剂活性越高。但需注意：活性不是“越快越好”，需结合稳定性、选择性综合权衡，部分高活性催化剂易失活。

DOI：10.1021/acsami.4c02260。

LSV是最常用、最基础的活性测试方法，通过线性扫描电极电势，记录电流随电势的变化，直观反映催化剂的活性高低。

测试原理：在三电极体系，工作电极：负载催化剂；参比电极：如Ag/AgCl、Hg/HgO，提供稳定电势基准；对电极：如Pt片，传导电流中，以恒定速率扫描工作电极的电势，测量不同电势下的电流密度。反应的起始电势越低、特定电势下的电流密度越大，催化剂活性越高。

DOI：10.1021/acsami.4c02260。

评价参数：

起始电势（E_onset）：反应开始发生的最低电势，是活性的“直观体现”，E_onset越负（还原反应，如氧还原ORR）、越正（氧化反应，如析氧反应OER），活性越高。

半波电势（E_1/2，仅适用于还原反应，如ORR、析氢反应HER）：电流密度达到极限电流密度一半时对应的电势，是还原反应活性的“核心量化指标”，半波电势越正，活性越高。HER反应中，半波电势越负，活性越高。

半波电势的优势：不受极限电流密度的影响，能更精准地对比不同催化剂的活性差异，是论文中最常用的活性评价参数。

DOI：10.1021/acsami.4c02260。

塔菲尔斜率（Tafel slope）：活性的“微观本质指标”，反映反应的“速率决定步”，斜率越小，活性越高。

塔菲尔斜率的理论公式（塔菲尔方程）：

η：过电势（V），即反应实际发生的电势与平衡电势的差值，η = E_actual – E_eq，过电势越小，活性越高；a：塔菲尔截距（V），与催化剂的电子转移数、活性位点数量相关；b：塔菲尔斜率（mV/dec），反映电流密度每增加一个数量级所需的过电势增量；j：电流密度（mA/cm²或A/mg），反映反应速率。

塔菲尔斜率b的大小，决定了“过电势随反应速率的变化趋势”，b越小，增加相同反应速率（电流密度）所需的过电势增量越小，催化剂的活性越高。

DOI：10.1021/acsaem.2c02593。

CV与LSV类似，但采用“循环扫描”，除了评价活性，还能用于计算活性位点数量，是连接“宏观活性”与“微观结构”的桥梁。

测试原理：在三电极体系中，以恒定速率循环扫描电势，记录循环过程中的电流-电势曲线。对于金属催化剂，CV曲线中会出现“氧化还原峰”，氧化峰的面积与活性位点数量成正比。

理论公式：

Q：氧化峰的电量（C），通过CV曲线中氧化峰的面积积分计算（Q = 积分电流×时间）；n：电子转移数（如Pt的氧化反应，Pt → Pt²⁺ + 2e^–，n=2）；F：法拉第常数（96485 C/mol），固定值；A：催化剂的比表面积（cm²/g），可通过BET测试获得。

活性位点数量Nₛₜ越多，催化剂与反应物的接触机会越多，理论活性越高。通过CV计算N_st，可进一步计算“本征活性”（下文解析），避免因活性位点数量差异导致的活性误判。

DOI：10.1021/acscatal.1c03196。

CA和CP用于测试催化剂在“恒定条件下”的活性保持能力，同时也能辅助评价活性。

测试原理：CA：固定工作电极的电势，记录电流密度随时间的变化，电流密度下降越慢，活性保持能力越强；CP：固定工作电极的电流密度，记录过电势随时间的变化，过电势上升越慢，活性保持能力越强。

其中，j₀为初始电流密度（t=0时），j_t为测试t时间后的电流密度。活性保留率越高，催化剂在长期反应中的活性稳定性越好。

DOI：10.1021/ac8025702。

稳定性

测试原理：在反应的电势窗口内，进行多次循环扫描，对比循环前后LSV曲线的变化——半波电势偏移越小、特定电势下的电流密度下降越少，短期稳定性越好。

核心评价参数：半波电势偏移量（ΔE_1/2）：循环1000圈后，半波电势偏移≤5 mV，视为短期稳定性优异；电流密度保留率：循环1000圈后，特定电势下的电流密度保留率≥90%，视为合格。

若循环后活性明显下降，原因可能是催化剂颗粒团聚、催化剂氧化溶解、催化剂脱落。

DOI：10.1021/jacs.2c04991。

测试原理：与活性测试中的CA/CP一致，但测试时间更长，模拟工业场景中的长期工作状态，记录电流密度（CA）或过电势（CP）的变化。

核心评价标准：长期活性保留率：测试10000 s后，活性保留率≥80%，视为长期稳定性优异；无明显突降：电流密度（CA）或过电势（CP）无突然下降，说明催化剂无明显失活。

DOI：10.1021/acsnano.1c00647。

测试原理：通过“极端条件”加速催化剂的失活过程，在短时间内评价催化剂的稳定性，适用于快速筛选高性能催化剂。

常见极端条件：高扫描速率：如100 mV/s（常规为5~50 mV/s）；宽电势窗口：如ORR反应0~1.5 V vs RHE（常规为0.05~1.2 V）；高温测试：如80℃（常规为25℃），加速催化剂的团聚与溶解。

DOI：10.1021/acscatal.1c05462。

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