济南大学周伟家教授课题组新进展CEJ：Pt-O键增强Pt/TiO2/Ti界面稳定性用于高效酸性电解槽

第一作者：袁海凤

通讯作者：周伟家*，刘晓燕*

单位：济南大学

在电解水制氢领域中，贵金属催化剂具有优异的本征活性，但是其价格昂贵储量低。非贵金属催化剂具有价格低廉的优势，但是催化活性有待提高。可以通过制备贵金属和非贵金属复合的催化剂，将两者的优势结合起来。金属载体相互作用可以提高贵金属和非贵金属复合催化剂的活性，但是贵金属和非贵金属载体之间的配位结构与催化活性和稳定性的关系需要进一步研究。

质子交换膜电解槽具有三方面的问题。第一，通过添加粘结剂再热压的方式在质子交换膜表面形成催化层，这种方式不可避免的会覆盖一部分活性位点导致催化性能下降，而且无法完全解决催化剂脱落的问题。第二，Ti纤维经常被用作电解槽中的气体扩散层，但是氢脆问题导致电解槽的稳定性下降。第三，提供氢质子的质子交换膜价格昂贵，大幅增加了质子交换膜电解槽的成本。

近日，来自济南大学的周伟家教授与刘晓燕教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Enhanced interfacial stability of Pt/TiO₂/Ti via Pt-O bonding for efficient acidic electrolyzer”的观点文章。该工作制备了超低贵金属负载量（12.7 μgPt cm⁻²）的Pt/TiO₂/Ti电极，研究发现Pt纳米颗粒和TiO₂之间的Pt-O键增强了界面稳定性，提高了催化稳定性，且通过电荷转移调节了电子结构，从而优化了氢吸附，提高了电催化析氢活性。另外，针对质子交换膜电解槽中的催化剂脱落、钛氢脆和质子交换膜高成本的问题，构建了高效的、酸性的电解槽系统。

通过水热法在Ti纤维表面包裹了一层TiO₂，然后通过电化学沉积制备了Pt/TiO₂/Ti电极。作为对比，直接使用Ti纤维作为基底，通过电化学沉积制备了Pt/Ti电极。在Pt/TiO₂/Ti电极中，TiO₂层起到两个重要作用。首先，TiO₂层包裹在Ti纤维的表面，防止了Ti纤维的氢脆。此外，Pt纳米颗粒与TiO₂之间通过Pt-O键连接，增强了界面稳定性，而Pt/Ti电极中的Pt-Ti连接是不稳定的。

通过多种表征发现：Pt/TiO₂/Ti电极中Pt纳米颗粒与TiO₂层之间形成了Pt-O键，具有紧密的界面，提高了电极的结构稳定性。与Pt/Ti相比，Pt/TiO₂/Ti电极中Pt纳米颗粒与基底之间具有更多的电子转移，促进了其电子结构的优化。

Pt/TiO₂/Ti电极表现了优异的电催化析氢活性和长时间大电流稳定性。这是由于Pt和TiO₂之间具有较多的电子转移，调节了Pt/TiO₂/Ti的界面电子结构，优化了氢吸附，提高了析氢活性。此外，研究发现，Pt/Ti电极在催化过程中发生了氢化，而具有TiO₂保护层的Pt/TiO₂/Ti电极没有发生氢化，因此具有增强的结构稳定性。

针对质子交换膜电解槽中的催化剂脱落、钛氢脆和质子交换膜高成本的问题，构建了高效的酸性电解槽系统。具体方法为：使用多功能的集成电极增强催化稳定性、TiO₂层包裹防止钛氢脆、使用酸性电解液提供质子并配备低成本的阳离子交换膜代替质子交换膜。

Enhanced interfacial stability of Pt/TiO₂/Ti via Pt-O bonding for efficient acidic electrolyzer

济南大学前沿交叉科学研究院在读博士生，导师为周伟家教授。主要从事纳米材料与激光技术在电催化、氢能源以及新能源转换等领域的研究，包括具有电催化产氢、产氧、阳极氧化和氮还原性能的电极制备和集成电解水产氢器件的构建。目前在Advanced Materials、Applied Catalysis B: Environmental等期刊以第一作者或共同第一作者身份发表文章6篇；已授权发明专利4个。获得过山东化学化工学会科学技术奖二等奖和第七届济南大学大学生科技创新大赛一等奖。获得了山东省2024届优秀毕业生的称号。

济南大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，学术带头人。主要从事能源催化和功能器件相关研究，在氢能源、二氧化碳资源化和催化电池等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater.等期刊发表SCI收录论文100余篇，被引15000余次，H因子60，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文11篇；中国化学快报、物理化学学报、BMEMat、SusMat期刊的青年编委和Interdiscip. Mater.学术编辑；授权发明专利16项。主持国家优秀青年基金，山东省杰出青年基金，山东省泰山学者青年专家计划，山东省重点研发计划等国家省部级项目12项。获得山东省青年科技奖（2022）、山东省自然科学一等奖（3/5，2019）和中国颗粒学会自然科学二等奖（1/5，2022）。

Email: ifc_zhouwj@ujn.edu.cn

网页：https://publons.com/researcher/1640871/weijia-zhou/

济南大学前沿交叉科学研究院副教授，主要从事微纳加工技术研究和器件开发。以第一作者或通讯作者在InfoMat、Small、Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文11篇，以前三发明人授权发明专利十余件。作为项目负责人或课题负责人主持国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金青年基金、山东省联合基金、广东省科技计划等国家省部级项目6项。