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《Future Foods》：UNLOCKING THE POTENTIAL OF OAT OKARA: A REVIEW OF ORIGINS, COMPOSITION, AND UP-CYCLING OPPORTUNITIES IN PLANT-BASED FOODS

本综述首次系统报道了战略性锌（Zn）掺杂二氧化钛（TiO2）纳米颗粒作为创新方法，显著提升硼氢化钠（NaBH4）甲醇解催化产氢性能。通过溶胶-凝胶法合成的最佳Zn-TiO2纳米催化剂（1 wt% Zn）呈均匀纳米球结构（8.27 nm），其晶格中锌离子成功掺杂诱导氧空位并增加比表面积，协同催化活性超越纯TiO2。该催化剂在30°C条件下实现20160 mL·min-1·g-1的卓越产氢速率（HGR），活化能（Ea）为39.1 kJ·mol-1，为清洁氢能系统提供了新型低成本高效催化路径。

　　

Abstract

本研究首次报道了战略性锌掺杂TiO₂纳米颗粒的创新方法，通过NaBH₄甲醇解显著提升催化产氢效率。采用溶胶-凝胶法合成的Zn-TiO₂纳米催化剂（1 wt% Zn）形成平均尺寸8.27 nm的均匀纳米球。结构表征证实锌离子成功掺入TiO₂晶格，诱导氧空位并显著增加比表面积，协同提升催化活性。该催化剂在30°C、0.125 g NaBH₄条件下产氢速率（HGR）达20160 mL·min^-1·g^-1，动力学分析显示其强温度依赖性（25–40°C时HGR从16965升至38145 mL·min^-1·g^-1），活化能为39.1 kJ·mol^-1。NaBH₄浓度增加引发HGR指数增长，在0.25 g时达峰值34950 mL·min^-1·g^-1。该研究为TiO₂基低成本高效催化剂设计提供了新范式。

Introduction

全球清洁能源转型亟需高效氢能技术。氢能因其高能量密度和零碳排放特性，成为钢铁、化工等难脱碳领域的关键能源载体。然而，现有氢能生产严重依赖化石燃料（占比超95%），绿色氢能成本居高不下。NaBH₄凭借高氢含量（10.8 wt%）和可控释氢特性，成为便携式氢源理想候选。与传统水解法相比，NaBH₄甲醇解具有温和放热、反应速率快、副产物干扰少等优势。TiO₂虽具化学稳定性优势，但其本征催化效率受限。异质元素掺杂可通过诱导氧空位、促进电荷分离等机制增强TiO₂表面反应性。本研究首次系统探索锌掺杂对TiO₂电子结构的精准调控，为便携式按需产氢系统提供新思路。

Synthesis of bare TiO₂ nanoparticles

采用溶胶-凝胶法制备纯TiO₂纳米颗粒：将20 mL无水乙醇与5 mL钛酸异丙酯磁力搅拌30分钟后，缓慢滴加150 mL蒸馏水引发水解。所得溶胶80°C加热3小时，室温持续搅拌老化24小时，沉淀物经离心洗涤后60°C干燥12小时，最终300°C煅烧2小时获得白色粉末。

Characterization of nanomaterials

X射线衍射（XRD）图谱显示纯TiO₂与Zn-TiO₂均呈现锐钛矿相特征峰，锌掺杂未改变晶体结构。扫描电镜（SEM）显示Zn-TiO₂形成均匀纳米球，能谱（EDS）证实锌元素成功掺杂。比表面积测试表明锌掺杂使材料比表面积从纯TiO₂的89 m²/g提升至114 m²/g，X射线光电子能谱（XPS）证实氧空位浓度显著增加。

Conclusion

Zn-TiO₂纳米催化剂在NaBH₄甲醇解中展现出卓越催化性能，40°C时产氢速率达38145 mL·min^-1·g^-1，活化能为45.2 kJ·mol^-1。锌掺杂引发的氧空位与比表面积协同效应是性能提升关键机制。该研究为低成本、高效氢能催化剂设计提供了理论依据与实践方案。

CRediT authorship contribution statement

As?m Balbay: 原始撰写、软件、实验；Sema Erdemo?lu: 软件、方法、实验；Hatice ?a?lar Y?lmaz: 验证、方法、实验；Cafer Saka: 评审编辑、原始撰写、方法、实验、概念设计。

Declaration of competing interest

作者声明无已知竞争性利益关系。