ECSA 看清电极催化剂的‘真实’性能

什么是ECSA测量？

ECSA是一种通过电化学方法确定“电化学表面积（Electrochemcial Surface Area，ECSA）”的测量方法。简单来说，就是用于电极反应的催化剂的有效面积。这是评价贵金属催化剂如铂和铱用于燃料电池的非常重要的指标。贵金属催化剂的ECSA是通过将从氢的吸附/脱附波和一氧化碳(CO)解吸波等中获得的电荷量（电量）除以贵金属单位面积的吸附电量（已知值）来获得的。该值越大，催化剂的性能越好。它还用于根据启动/停止协议（注1）评估催化剂的劣化行为。另一方面，在镍等非贵金属及其氧化物中，由于没有合适的物质吸附在电极表面，因此很难直接计算ECSA。作为其替代方法，"电双层容量（Cdl：Electric double-layer capacitance）"有时被用作ECSA的间接指标。
注1：“模拟燃料电池启动/停止时电位突然变化的电位循环试验”

ECSA测量的方法是什么？

使用负载催化剂的电极作为工作电极进行电位扫描（循环伏安法：CV法）。由于氢吸附和CO解吸发生在特定的电位范围内，因此在该范围内进行测量，但扫描电位因pH值和催化剂类型而异。在任何一种情况下，都要设定一个范围，不发生副反应，如电解水。
在镍等非贵金属电极及其氧化物的电极中，将法拉第电流（电化学反应产生的电流）不流动的电位范围设定为仅发生双电层的充电/放电的扫描范围。Cdl与电极与电解液接触的表面积成正比。需要注意的是，Cdl不仅取决于表面积，还取决于电极材料的种类和电极表面的置换。

使用Model3325双恒电位仪的测量步骤

在这里介绍的例子中，使用RRDE-3A旋转环盘电极仪用的直径为3 mm的铂电极，根据氢吸附量计算电极的有效面积。虽然铂电极看起来很光滑，但仔细观察会发现，由于表面的划痕等凹凸的存在，会使得其实际的电极表面积略大于直径3毫米的几何计算面积。

实验步骤:
        1. 用氧化铝抛光垫彻底抛光铂工作电极（直径3毫米）。抛光时间因用力程度而异，因此不能一概而论，但应为2至4分钟左右。
            研磨后用蒸馏水彻底冲洗。此时，请勿进行超声波清洗或用Kimwipe（擦镜纸）等擦拭表面等的操作。

        ２. 使用0.5 M硫酸作为电解液。测量前用惰性气体（氮气或氩气）进行吹扫气体除氧。

        ３. 设置CV测量的电位范围。这次，使用银/氯化银参比电极（Ag/AgCl），扫描范围为-0.18 V至1.2 V vs. Ag/AgCl。
            (事先使用H2G1便携式制氢仪器和RHEK套件进行Ag/AgCl参比电极电位校正， 得到EAg/AgCl vs.RHE＝0.196 V）
            (实验完成后，可以将X轴电位更改为可逆氢电极（RHE）转换电位。）

 

图1铂电极在0.5 M硫酸溶液中的循环伏安图

 

 

图2电荷量减去双电层容量（绿色斜线部分）（蓝色斜线部分：20.14µC）