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ACS Cent. Sci.

左图展示了氢气在催化剂层内的微扩散过程,在催化剂层和电解液接触面的界面扩散和体相中的扩散过程。数据表明,氢气扩散速率的决定因素不是电解液中的体相扩散,而是在催化剂层中微米尺度上的微扩散与其在催化剂和电解液接触面的界面扩散。这些不能被旋转圆盘电极等方法简单解决的扩散问题导致催化剂层中局部氢气过饱和。

随着Pt/C催化剂载量的增加,氢气在催化剂层内的扩散阻力逐渐增大,无法及时扩散至电解液,从而抑制了HER并促进了HOR。因此,基于传统方法得到的HER的Tafel斜率随着催化剂载量的增大逐渐从Volmer步骤为决速步的120mV/dec降低到以Tafel为决速步的30mV/dec,但这并不能代表真实的反应机制产生了改变,而是受到了扩散控制下的影响。

对于Pt/C催化剂,基于局部氢气过饱和的HOR电流在低过电位的区域更显著地抵消了析氢电流,导致拟合出的Tafel斜率小于理论值。而在较高的HER过电位处,HOR电流受电位影响可以被忽略,催化剂层内进一步堆积的氢气阻挡了铂催化剂与水的接触,抑制了HER电流的增长,导致得到的Tafel斜率大于理论值。

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