锌掺杂二氧化钛纳米催化剂显著提升硼氢化钠甲醇解制氢性能的创新研究

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本刊推荐：本研究首次报道通过锌掺杂TiO2纳米颗粒（Zn-TiO2）显著提升NaBH4甲醇解制氢性能的创新策略。采用溶胶-凝胶法合成的1 wt% Zn-TiO2纳米球（8.27 nm）通过诱导氧空位和增加比表面积，实现最高38,145 mL·min-1·g-1的氢生成速率（HGR）和39.1 kJ·mol-1的活化能（Ea），为清洁氢能系统提供了新型高效催化剂设计范式。

　　

材料表征

X射线衍射（XRD）图谱显示，纯TiO₂和锌掺杂TiO₂（Zn-TiO₂）的衍射峰均对应锐钛矿相（anatase），特征晶面包括（101）、（103）、（200）、（105）、（116）、（220）和（107）。锌的掺入未引起明显相变，且未检测到氧化锌（ZnO）或其他杂相峰，表明锌离子成功进入TiO₂晶格。锌掺杂导致（101）晶面衍射峰轻微宽化并位移至更高角度，证实晶格收缩和氧空位形成。扫描电镜（SEM）显示Zn-TiO₂形成均匀纳米球结构，粒径分布更窄。比表面积分析表明，锌掺杂使比表面积从纯TiO₂的XX m²/g提升至YY m²/g，为反应提供更多活性位点。

催化性能

Zn-TiO₂在NaBH₄甲醇解中表现出卓越的氢生成速率（HGR）。在30°C、0.125 g NaBH₄条件下，HGR高达20,160 mL·min^-1·g^-1，显著优于纯TiO₂。温度升高至40°C时，HGR进一步提升至38,145 mL·min^-1·g^-1。动力学分析显示反应具有强温度依赖性，活化能（Ea）为39.1 kJ·mol^-1。NaBH₄浓度实验表明，HGR随底物量增加呈指数增长，在0.20 g附近达到饱和，0.25 g时峰值达34,950 mL·min^-1·g^-1。锌掺杂引入的Lewis酸性和氧空位协同促进NaBH₄解离，是性能提升的关键机制。

结论

Zn-TiO₂纳米催化剂通过精准调控晶格缺陷和表面特性，实现了NaBH₄甲醇解制氢性能的突破性提升，为低成本、高效氢能催化剂设计提供了新思路。