前言
电化学是物理科学中的一门古老学科，在若干现代技术进步的转化中发挥了重要作用。从原电池到氢氧化钠和铝的工业规模生产，电化学在工业革命中发挥了关键作用。如今，人类使用的各式各类电池、传感器中蕴藏着丰富的电化学原理，它已支配着我们的日常生活。
电催化已成为开发减少碳足迹新技术的核心。例如，在工业生产中引进大型电解槽，可用于电解水制氢，从而提供清洁能源。对更好的电催化剂/电极材料和优化电化学反应以提高选择性、膜稳定性和电池设计的需求吸引了全球许多团体从事电催化研究。 电催化测试实验，一开始看起来很简单，在任何实验室都可以用最少的投资进行。实验是在装有两个(或三个)电极的玻璃容器中进行的，反应是通过控制电位的电流来诱导的。进行这些实验的方便性也增加了在实验程序、数据采集和分析中引入错误的可能性。仔细研究需要对电化学原理有基本的了解，并掌握避免潜在误差的技术。无论是iR补偿、Tafel图的比较、产品分析，还是确定法拉第效率，都必须仔细注意实验程序。
图1. 从三电极电池到电解电池
同时，我们也知道，随着电催化测试协议的不断提出、修订，电催化测试标准将达到统一。届时，如果我们不能从源头上将误差尽可能消除，那么所得到的实验结果、实验数据的认可度是大打折扣的，尤其是一类以高性能为噱头/亮点的文章，它们将在投稿阶段受到许多的质疑！ 例如，我们随机在《Nature Communications》上找到一些关于电催化领域的文章，查看其peer review可以看到审稿人对于一些常规材料的测试数据是很在意的，尤其是当测试结果存在较大偏差时：
Pt/C是一种经典的催化剂，一般情况下，大家测试得到的Pt/C的催化性能是比较接近的。
我们知道，当审稿人提出类似的问题时，这就意味着我们的测试体系可能存在问题，而且这类问题如果解决不恰当的话，随时有被拒稿的风险！
成果简介
近日，《ACS Energy Letters》主编Prashant V. Kamat教授整理了一份关于如何准确进行电催化实验、避免误差的作品合集。这些文章不仅均出自《ACS Energy Letters》杂志，并且都是电催化领域内的权威专家所提出的观点，以突出科学问题并倡导进行电催化实验的最佳实践。他们讨论水电解、CO2还原、和N2还原的各种基本方面的观点。 在早期的收集中，强调了在光催化和电催化测量中遇到的常见陷阱、测试误区。在这个新整理的作品集中，重点介绍了进行电催化实验的指导方针和最佳实践。这些观点可以作为新研究人员进行电催化研究和管理实验室最佳实践的资源。 在作品集中，分别从基础电化学、电解水、CO2还原、N2还原四大领域给出了经典文献。在此进行举例介绍。
基础电化学
（1）Potentially Confusing: Potentials in Electrochemistry, ACS Energy Letters, 2021, 6, 1, 261–266；该文章针对电化学中的电位进行了分析，并提出了在考虑任何电化学系统时应关注关键几点，以避免对电位的混淆。
（2）Navigating iR Compensation: Practical Considerations for Accurate Study of Oxygen Evolution Catalytic Electrodes, ACS Energy Letters, 2023, 8, 10, 4323–4329；该文章强调了在测试电极OER性能上，应如何进行准确的iR补偿，以精确地研究电势相关的电化学行为，避免产生误导性结果。
（3）iR Compensation for Electrocatalysis Studies: Considerations and Recommendations, ACS Energy Letters, 2023, 8, 4, 1952–1958；该文章针对使用iR补偿的适用性，简要介绍了其技术背景和电催化研究中的实际限制，然后提出了操作建议。
（4）Why Careful iR Compensation and Reporting of Electrode Potentials Are Critical for the CO2 Reduction Reaction, ACS Energy Letters, 2022, 7, 7, 2357–2361；该文章强调了在测试CO2RR电化学行为时，iR补偿和电极电位报告对CO2还原反应的重要性。
（5）How to Reliably Report the Overpotential of an Electrocatalyst, ACS Energy Letters, 2020, 5, 4, 1083–1087；该文章在三电极系统中对不同的参比电极进行了标准的实验校准，以了解实测值与理论值之间的差异，以及电解质条件(如pH值和温度)如何影响测量的过电位。
（6）The Pitfalls of Using Potentiodynamic Polarization Curves for Tafel Analysis in Electrocatalytic Water Splitting, ACS Energy Letters, 2021, 6, 4, 1607–1611；该文章强调了电催化水分解中使用极化曲线进行Tafel分析的缺陷。
电解水
（1）A Guide to Electrocatalyst Stability Using Lab-Scale Alkaline Water Electrolyzers, ACS Energy Letters, 2024, 9, 2, 547–555；该文章给出了一份在实验室进行用于大规模碱性水电解槽的电催化剂的稳定性测试指南。这项初步工作旨在建立一个简单的协议和比较平台，以评估和验证碱性水电解槽中的电催化剂。
（2）Unveiling the Pitfalls of Comparing Oxygen Reduction Reaction Kinetic Data for Pd-Based Electrocatalysts without the Experimental Conditions of the Current–Potential Curves, ACS Energy Letters, 2022, 7, 3, 952–957；该文章以碱性电解质中Pd基电催化剂的ORR动力学数据为例，提出了可能无意地不披露所有实验条件是非常有问题的。用于记录极化曲线的扫描方向通常被忽略，而实验数据表明，阳极扫描(低电位到高电位)导致超快的电催化动力学，半波电位正移位，动力学电流密度急剧增加4-15倍。
（3）Reliable Counter Electrodes for the Hydrogen Evolution Reaction in Acidic Media, ACS Energy Letters, 2020, 5, 8, 2706–2710；该文章强调了酸性介质中析氢反应的可靠对电极。研究表明，不可避免的碳氧化导致显著的电极极化，并且随着电流的增加，影响变得非常严重。这意味着使用碳基对电极可能无法准确评估材料的催化活性。研究还表明，没有一种金属，即使是耐腐蚀的金属，如Ir，可以在酸性介质中成为成功的CE，因为电化学溶解是不可避免的。作为一种新的替代方案，作者探索了一种基于IrO2/Ta2O5的DSA，该DSA已成功用于工业上作为OER阳极。即使在大电流下，DSA也表现出令人满意的活性和耐腐蚀性。然而，它仍然不是100%耐腐蚀，因此电催化界应该继续寻找新材料或现有电极的改进。
（4）Do the Evaluation Parameters Reflect Intrinsic Activity of Electrocatalysts in Electrochemical Water Splitting?, ACS Energy Letters, 2019, 4, 6, 1260–1264；作者详细讨论并展示了η@10 mA cm-2geo和Tafel斜率(由iR校正的LSV推导)在评估给定电催化剂的电化学水分解时的局限性和不适当性。此外，还证明了η@10 mA cm-2geo和Tafel斜率都高度依赖于催化剂的质量，并且它们会随着负载量的变化而变化。结果表明，η@10 mA cm-2geo和Tafel斜率都不能反映催化剂的内在活性，它们可能导致错误的解释。为了克服这个问题，作者提出并推荐使用η@10 mA cm-2ECSA和TOF，事实证明，无论催化剂的负载量如何，它们都能反映所研究催化剂的固有活性。然而，为了确保这一特定领域的科学数据完美无缺，还需要寻找其他精确可靠的评价参数。
CO2还原
（1）A Guideline to Determine Faradaic Efficiency in Electrochemical CO2 Reduction, ACS Energy Letters, 2024, 9, 1, 323–328；该文章给出了关于电催化CO2还原的法拉第效率测定的指南。为了可靠和准确地报告法拉第效率，需要仔细考虑多个参数。导致气体产物误差的主要因素是(a)未考虑出口流速，(b)选择错误的温度值，以及(c)阴极室气体积聚。造成液体产物定量误差的主要原因是(a)挥发性产物的蒸发，(b)产物的交叉，(c)水的交叉。
（2）A Guide to Evaluate Electrolyte Purity for CO2 Reduction Studies, ACS Energy Letters, 2023, 8, 12, 5201–5205；主要结论如下：①电解质净化对于获得可靠的电化学CO2RR测量至关重要，即使使用高纯度的商业化学品(99.999%)。②可以选择任何可用的方法纯化电解液进行CO2RR测量，但需要注意的是，纯化的电解液应进行表征以确定最低纯度水平。③应考虑并尽量减少其他杂质来源，如参比电极泄漏。
（3）Addressing the Interfacial Properties for CO Electroreduction on Cu with Cyclic Voltammetry, ACS Energy Letters, 2020, 5, 1, 130–135；实验工作强调了在有序的Cu电极表面测量CO2RR和CORR时记录和显示CV曲线的重要性。定义良好的碱性CV曲线包含与所选电位范围、体溶液pH和所使用的电解质对Cu(111)与CO饱和溶液接触的界面性质的影响相关的关键信息。特别是，注意到所选电位范围对伏安图形状的强烈影响，这可以被认为是CO2或CO还原开始时实际表面状态条件的控制参数。此外，伏安分析清楚地表明，表面状态条件可以通过调整应用电位限制来调节。
（4）Introductory Guide to Assembling and Operating Gas Diffusion Electrodes for Electrochemical CO2 Reduction, ACS Energy Letters, 2019, 4, 3, 639–643；该文旨在描述一些可能影响催化活性和准确收集数据的能力的独特操作考虑因素，同时作为研究人员过渡到使用气体扩散层作为平台的开始指南，以商业上可行的电流密度对新型催化剂进行基准测试。
N2还原
（1）Identification, Quantification, and Elimination of NOx and NH3 Impurities for Aqueous and Li-Mediated Nitrogen Reduction Experiments, ACS Energy Letters, 2023, 8, 8, 3614–3620；文中提出了在水和非水锂介导的NRR领域中最常用的实验室材料和气体的系统杂质筛选。这不仅对杂质的起源提供了新的见解，而且还强调了杂质的特定来源的严重性。更重要的是，先前提出的气体、电池组件、材料和实验室耗材清洁策略的有效性被重新评估和进一步优化。
（2）The Difficulty of Proving Electrochemical Ammonia Synthesis, ACS Energy Letters, 2019, 4, 12, 2986–2988；文章建议在使用14N2为测试原料时，进一步采用15N2为原料进行同位素测试实验，通过如NMR、质谱、红外等手段确定两种原料下的产物产率。此外，作者建议进一步审视DFT计算的反应路径的完整性，以更好地解释实验结果。
（3）Electrochemical Nitrogen Reduction: Identification and Elimination of Contamination in Electrolyte, ACS Energy Letters, 2019, 4, 9, 2111–2116；该项研究工作系统地鉴定，量化和消除了一些商业锂盐中痕量的硝酸盐和亚硝酸盐污染。即使这些杂质以ppm或更低的含量水平存在，它们也可能导致显著的假阳性结果，从而误导研究人员。在之后的NRR测试中，作者强烈建议在测试之前预判电解质中NOx-的存在。详情可见：
总 结
此外，《ACS Energy Letters》期刊主编Prashant V. Kamat教授前期也发表了题为《Why Seeing Is Not Always Believing: Common Pitfalls in Photocatalysis and Electrocatalysis》的社论文章，以引起研究者们对光催化和电催化中常见的实验误区的注意。 详情可见： 总之，仔细规划实验和避免人为因素是任何研究成功的关键。在科学研究中，在得出重要结论之前，需要把所有科学方法的各个部分结合起来！
仅凭一次观察就得出结论可能会产生误导！
试着在你就你的发现得出结论之前，寻找其他的解释并试图反驳它。寻找为什么观察到的现象会发生或为什么不发生这个问题的答案是研究的一个组成部分。在分析结果的时候，做自己的批评者也很重要。不要只相信你所看到的，重新学会检查它，收获最有力的证据来证明你的结论。
文献信息
Tutorials in Electrochemistry: Electrocatalysis，ACS Energy Letters，2024. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c00471
