电催化原位池如何革新能源行业？探索其广泛应用

　　电催化原位池是一种专为在真实电化学反应条件下实时观测催化剂结构演变、反应中间体及界面过程而设计的实验装置，广泛应用于析氢（HER）、析氧（OER）、氧还原（ORR）、CO₂还原（CO2RR）等电催化反应机理研究。其核心价值在于实现“原位”（in situ）或“工况下”（operando）表征，突破传统离线分析无法捕捉动态过程的局限。

　　该装置通常由工作电极（负载催化剂）、对电极、参比电极、密封腔体、电解液进出口、气体供给系统及光学或射线穿透窗口组成。

　　电催化原位池其应用范围广泛且深入，主要体现在以下几个关键领域：

　　一、能源转化与存储

　　1、二氧化碳电催化还原（CO₂RR）

　　原位池通过构建气-液-固三相界面，实现CO₂的高效还原。例如，利用CO₂饱和的全液相阴极液对流流经多孔电极，可原位生成CO₂(g)-液体-催化剂三相界面，显著降低传质边界层厚度，提升碳源、电子、质子和产物的传递效率。这种设计不仅实现了超高产物收率（如CO产率可达90.6±4.0 L/h），还成功拓展到铜基阴极，高效合成C₂⁺产物（如乙烯、乙醇等），为CO₂的资源化利用提供了新途径。

　　2、水分解反应（HER/OER）

　　在电解水制氢过程中，原位池可实时监测氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）的中间体生成与消耗，揭示反应机理。例如，通过原位红外光谱技术，可追踪析氧反应中钙钛矿结构重构过程，为设计高效稳定的析氧催化剂提供理论依据。

　　3、氮还原反应（NRR）

　　原位池在氮气电还原合成氨（NH₃）领域也展现出巨大潜力。通过原位质谱技术，可高灵敏度检测反应过程中产生的NO、N₂O、NH₂OH、NH₃和N₂等中间产物或最终产物，为理解氮还原反应路径和优化催化剂性能提供关键数据。

　　二、电池材料研究

　　1、锂离子电池

　　原位池可原位分析锂离子电池在充放电过程中产生或消耗的微量气体，如正极材料s次充电时的O₂析出、电解液分解气体析出等。这种实时监测能力有助于揭示电池失效机理，指导材料筛选和电解液优化。

　　2、钠离子电池、金属空气电池等

　　类似地，原位池也可应用于钠离子电池、金属空气电池等储能器件的研究中，通过原位检测气体生成或消耗情况，评估电池性能和稳定性。

　　三、电催化反应机理研究

　　1、多电催化反应体系

　　原位池在MOR（甲醇氧化反应）、EOR（乙醇氧化反应）、CO₂RR、HER、OER、ORR（氧还原反应）、NRR（氮还原反应）等多种电催化反应中均有广泛应用。通过原位光谱技术（如红外、拉曼光谱），可实时监测反应中间体的生成与转化，揭示反应机理和动力学参数。

　　2、光催化、光电催化联合研究

　　原位池还可与光催化、光电催化技术相结合，研究光-电协同催化反应机理。例如，在光催化CO₂还原反应中，通过原位池可实时监测光生载流子的迁移和反应中间体的生成情况，为优化光催化剂性能提供理论依据。

　　四、环境治理与资源回收

　　1、有机污水处理

　　原位池可用于有机废水的电催化降解研究。通过实时监测降解过程中产生的中间产物和最终产物，可评估降解效率和机理，指导催化剂设计和工艺优化。

　　2、烟道气及原料煤的电解脱硫

　　在烟道气脱硫和原料煤电解脱硫过程中，原位池可实时监测硫氧化物的生成与转化情况，为脱硫工艺的优化提供数据支持。

　　3、含铬废水的电催化降解

　　针对含铬废水等重金属污染问题，原位池可研究电催化降解过程中铬的价态变化和去除机理，为开发高效稳定的电催化降解技术提供理论依据。