硒修饰碳化钛/氧化钛纳米复合材料的简易合成及其在碱性介质中高效全解水性能研究

为开发高效稳定的非贵金属双功能电催化剂，研究人员通过水热法合成硒修饰TiC/TiO2复合材料。该催化剂在碱性条件下表现出卓越的OER（过电位160 mV@10 mA cm?2）和HER性能（过电位87 mV），并实现1.47 V低电压全解水，为工业级电解水制氢提供了新策略。

　　

随着化石燃料过度消耗导致的环境问题日益严峻，开发清洁能源技术成为全球共识。氢能因其140 MJ kg^?1的高能量密度和零碳排放特性，被视为最具潜力的替代能源。电催化水分解技术通过OER（氧析出反应）和HER（氢析出反应）可将水转化为氢气和氧气，但该过程严重依赖贵金属催化剂（如Pt、IrO₂），其高昂成本和稀缺性制约了规模化应用。

针对这一挑战，Northern Border University和King Khalid University的研究团队创新性地设计出硒修饰的TiC/TiO₂纳米复合材料（Se-TiC/TiO₂）。该材料通过水热法合成，在碱性电解液中展现出突破性的双功能催化性能：OER仅需160 mV过电位即可达到10 mA cm^?2电流密度，Tafel斜率低至86 mV dec^?1；HER性能更超越纯TiC/TiO₂，过电位降低至87 mV。当组装成全解水电解槽时，仅需1.47 V槽压即可持续运行40小时，相关成果发表于《Fuel》。

研究采用X射线衍射（XRD）确认晶体结构，场发射扫描电镜（FESEM）揭示材料独特的"树莓状"形貌及非晶硒界面层，X射线光电子能谱（XPS）证实硒掺杂优化了电子结构。电化学测试包括线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）和电化学活性面积（ECSA）测定。

【材料表征】XRD显示Se-TiC/TiO₂成功保留TiC（JCPDS 01–073-0472）和TiO₂（01–077-0441）的晶相；FESEM观察到非晶硒层均匀覆盖在TiC/TiO₂表面形成的分级多孔结构，这种结构显著增加活性位点。

【电化学性能】在1 M KOH中，Se-TiC/TiO₂的OER过电位较未修饰材料降低43%，HER动力学显著改善（Tafel斜率从98降至65 mV dec^?1）。ECSA测试表明其活性面积是纯TiC的2.7倍，归因于硒诱导产生的氧空位和缺陷。

【机制分析】硒的4s²p⁴电子构型与Ti 3d轨道形成配位，调控了电荷分布。较低的硒电负性（相比硫/氧）促进OH^?扩散，加速界面电荷转移。同步辐射分析证实材料表面存在大量Ti³⁺缺陷位点。

该研究通过精准的硒掺杂工程，创制出兼具高活性和稳定性的非贵金属催化剂体系。其1.47 V的低电解电压已接近工业应用门槛（<1.5 V），90小时的持续稳定性更是突破现有过渡金属基催化剂的极限。这项工作不仅为碱性电解水制氢提供了新材料范式，更通过缺陷工程和界面调控策略，为设计下一代能源转换材料提供了理论指导。特别值得注意的是，硒修饰诱导的"电子桥接效应"可推广至其他过渡金属化合物体系，这对推动氢能产业链发展具有重要战略意义。