钇掺杂Ti/TiO2大孔膜电极的优化制备及其在电催化合成琥珀酸中的应用研究

为解决TiO2电极导电性差、催化活性不足的问题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了钇(Y)掺杂的Ti/TiO2大孔膜电极。研究发现，Y掺杂显著提升了电极的氢析出电位（-1.22 V）和还原峰电流密度（210 mA cm?2），使琥珀酸电合成产率达91%，电流效率达96.3%。该研究为绿色电催化合成高附加值化学品提供了新策略。

　　

随着绿色化学理念的兴起，有机电化学合成技术因其环境友好特性成为研究热点。然而，传统TiO₂电极存在导电性差、催化活性低等瓶颈问题，严重制约其在电催化还原反应中的应用。尽管通过元素掺杂（如Zr、Ce等）可部分改善性能，但钇(Y)掺杂对TiO₂电极的调控机制尚未明确。针对这一科学问题，中国的研究团队在《RSC Advances》发表了创新性成果，通过精准调控Y掺杂浓度，开发出高性能Ti/TiO₂-Y₂O₃电极，实现了琥珀酸的高效电合成。

研究采用溶胶-凝胶法结合提拉镀膜技术制备电极，通过SEM、XRD、XPS等技术表征材料形貌与结构，并运用LSV、CV、EIS等电化学方法评估性能。电解实验在50°C优化条件下进行，产物通过FT-IR和熔点测定验证。

3.1 形貌与结构分析
SEM显示Y掺杂使电极表面形成更显著的大孔结构（孔径~4 μm），0.006-Y电极基底裂纹最少。XRD证实Y以间隙或置换形式进入TiO₂晶格，0.006-Y样品结晶度最佳。XPS检测到Y 3d_5/2（156.36 eV）和Y 3d_3/2（158.48 eV）特征峰，表明Y³⁺稳定存在。

3.2 电化学性能
LSV测试表明0.006-Y电极氢析出电位达-1.22 V，较未掺杂电极负移0.19 V。CV曲线显示其在马来酸溶液中还原峰电流密度达210 mA cm^?2，为未掺杂电极的1.7倍。EIS证实该电极电荷转移阻抗最低，归因于Y掺杂提升的导电性和大孔结构提供的活性位点。

3.3 电合成应用
在-0.6~-1.2 V电位范围和50°C条件下，琥珀酸产率达91%，电流效率96.3%。机理研究表明Ti⁴⁺/Ti³⁺（TiO₂/Ti₂O₃）氧化还原对作为电子媒介体，促进马来酸间接还原。FT-IR证实产物中CC键（1630 cm^?1）消失，验证了双键的完全氢化。

该研究通过稀土元素掺杂工程，创新性地解决了TiO₂电极导电性与催化活性的矛盾。0.006-Y电极兼具高氢析出过电位（抑制副反应）和优异电荷传输能力，为有机电合成提供了高效、稳定的催化平台。循环测试显示电极连续使用5次后产率仍保持90%，具有工业化应用潜力。未来研究可进一步优化制备工艺，并探索稀土元素的回收策略，推动绿色电合成技术的可持续发展。