TiO2-Pt@rGO纳米复合材料的界面工程在氧还原和水分解电催化中的应用

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Interfacial engineering of TiO2-Pt@rGO nanocomposites for oxygen reduction and water splitting electrocatalysis

　　

作者：Anas Aberhouch、Abdessamad Faik、Shahid Mehmood

摩洛哥本盖里尔（Benguerir）穆罕默德六世理工学院（University Mohammed VI Polytechnic，UM6P）化学科学与工程学院（College of Chemical Sciences and Engineering，CCSE），可持续能源技术无机材料实验室（Laboratory of Inorganic Materials for Sustainable Energy Technologies，LIMSET），邮编43150

摘要

铂金在许多电化学反应中被视为基准材料，但其高昂的成本和稀缺性仍对其大规模应用造成质疑。因此，人们致力于在保持活性的同时降低铂金的负载量。在本研究中，首先将铂金纳米颗粒分散在二氧化钛（TiO₂）上，然后将其嵌入到还原氧化石墨烯（rGO）网络中。研究认为，TiO₂-rGO复合结构能够更有效地固定铂金，改善电子传输路径并促进电荷转移。TiO₂主要通过金属-载体相互作用实现结构稳定，而rGO则有助于提高导电性和增加表面暴露面积。通过化学还原和水热还原方法，将少量铂金分散在TiO₂上，随后将TiO₂-Pt(x)结合到rGO中，形成TiO₂-(0.3-y)-Pt(y)@rGO(0.7)复合材料。系统地改变铂金负载量以研究结构与活性之间的关系，其中TiO₂-Pt(x)中的x范围为0至4 wt%，TiO₂-Pt(y)@rGO中的y范围为0至1.2 wt%。电化学测试表明，尽管铂金含量显著降低，TiO₂-Pt@rGO纳米复合材料的电化学活性和稳定性仍优于商用Pt/C催化剂。这项研究展示了通过先进的载体工程提高贵金属利用率的可行方法，有助于开发经济高效且可持续的电催化剂。

引言

全球能源需求的持续增长加剧了人们对更清洁、更可持续能源系统的探索。在此背景下，氢气常被视为未来能源体系的关键候选者，尤其是在将水电解和燃料电池结合成封闭能源循环方面[1,2]。然而，尽管经过了长期的发展努力，这两种技术仍面临与传统系统竞争的挑战，主要原因是它们需要较高的能量输入且效率有限[3]。这些限制往往与电极材料的性能有关。

由于其内在的高活性，铂金（Pt）仍然是氢相关电催化反应的基准催化剂。然而，其稀缺性和高昂的成本阻碍了其大规模应用，引发了对其长期可行性的担忧[4,5]。

为了解决这一问题，人们越来越关注在保持催化效率的同时降低铂金负载量。基于碳的载体，尤其是Pt/C系统，因其高表面积和导电性而受到广泛研究[6]。然而，它们在恶劣操作条件下的耐久性仍存疑，因为铂金聚集和碳腐蚀可能导致性能迅速下降[7]。

作为替代方案，铂金被固定在金属氧化物（如TiO₂）及相关材料上，这些材料具有更好的化学稳定性[8]。尽管这些氧化物稳定性较高，但它们的内在导电性较低，可能会限制其整体电催化效率。因此，将金属氧化物与导电碳材料结合被认为是平衡稳定性和电荷传输的有效方法。在这方面，还原氧化石墨烯（rGO）因其高导电性和有效分散金属纳米颗粒的能力而受到关注[9,10]。同样，TiO₂也因其稳定性、低成本和易获取性而具有吸引力，尽管其宽禁带可能限制电荷传输[11,12]。

基于这些考虑，集成铂金（Pt）、二氧化钛（TiO_{22-Pt(x)@rGO纳米复合材料，从而实现了对铂金含量的可控调节。}

与TiO₂-Pt和商用Pt/C系统相比，所得材料的电化学性能有所提升。值得注意的是，Pt/TiO₂/石墨烯系统也已有大量报道，因此本研究并未引入全新的材料体系。本研究重点在于成分控制和组装策略，其中铂金不仅被视为活性位点，还可能作为界面介质。这种方法有助于进一步探讨铂金的利用，并突出了结构排列在决定催化行为中的作用，尽管需要进一步表征才能完全阐明这些效应。

章节摘录

材料

实验中使用的材料包括：二氧化钛（TiO₂，P25；Acros Organics）、四氯合铂酸钾（K₂PtCl₄；Acros Organics）、硼氢化钠（NaBH₄；Sigma-Aldrich，美国）、石墨片（Sigma-Aldrich，美国）、高锰酸钾（KMnO₄，≥99%；Honeywell Fluka）、硫酸（H₂SO₄，98%；Carlo Erba）、盐酸（HCl，35%；VWR）、过氧化氢（H₂O₂；Solvachim）以及5% Pt/C（Sigma-Aldrich），均按原样使用，无需进一步纯化。所有试剂均为分析级。使用去离子水（DI）进行配制。

形态与元素分析

采用扫描电子显微镜（SEM）、能量分散X射线光谱（EDX）和元素映射技术分析了TiO₂-Pt和TiO₂-Pt@rGO复合材料的表面形态和元素组成。

如图1(a–c)所示，TiO₂-Pt样品中的TiO₂颗粒呈准球形簇状，具有较高的聚集程度。这种行为在裸露的TiO₂中很常见，强粒子间相互作用和高表面能会促进颗粒聚集。

结论

本研究采用两步法制备了TiO₂-Pt@rGO复合材料：首先将铂金沉积在TiO₂上，然后通过水热处理与rGO结合。该策略旨在减少铂金的使用量同时保持良好的电催化性能。结构表征表明，TiO₂框架在合成过程中基本保持完整，铂金纳米颗粒成功嵌入，rGO也得到了有效还原。

CRediT作者贡献声明

Anas Aberhouch： 数据整理、形式分析、方法学设计、初稿撰写。Abdessamad Faik： 监督、验证。Shahid Mehmood： 构思提出、监督、验证、审稿与编辑。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

作者衷心感谢摩洛哥OCP集团的财政支持，特别是他们对‘能源、科学和技术/NRG’项目的支持，依据协议编号175。