安徽工业大学雷智平Carbon Energy：大电流密度下TiO2/C析氢性能调控

Regulation of hydrogen evolution performance of titanium oxide–carbon composites at high current density with a Ti–O hybrid orbital.

Meichen Liu, Zhiping Lei*, Qingping Ke, Peixin Cui, Jiancheng Wang, Jingchong Yan, Zhanku Li, Hengfu Shui, Shibiao Ren, Zhicai Wang, Ying Kong, Shigang Kang

Carbon Energy.

DOI：10.1002/cey2.162

研究背景

合理设计和可控合成高稳定性、高活性的大电流用析氢电极材料是实现可再生能源可持续转换的关键。然而，用于HER的高性能TiO₂基电催化剂非常有限，催化活性中心仍然难以调控。安徽工业大学雷智平教授课题组利用碳掺杂调变TiO₂/C复合材料的Ti-O轨道杂化, 实现了TiO₂/C在大电流密度下HER性能的显著提升, 为未来工业实用大电流析氢电极材料的发展和应用提供新方法。文章以“Regulation of hydrogen evolution performance of titanium oxide–carbon composites at high current density with a Ti–O hybrid orbital”为题发表在Carbon Energy上。

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本文亮点

1. TiO₂/C在高电流密度下表现出优异的HER性能。

2. 碳掺杂产生了氧空位，改善了Ti 3d和O 2p轨道的杂化。

3. Ti-O轨道杂化降低了H的能量能。

图文解析

1．通过先水热后碳化法可以制备球状结构的TiO2/C电极材料。由SEM和TEM图像可以观察到TiO2/C-950呈球形，平均粒径为100-300 nm。XRD表征证明TiO2/C是以四方锐钛矿为主，含有少量四方金红石的TiO2/C复合材料。

图1. (A) TiO₂/C-950的 SEM图 、(B) TEM图和(C) HRTEM图；图 (D-I) C、N、O和Ti元素图谱图；(J) EDS；(K) XRD图。

2．通过Raman、EPR、XPS和TGA表征，证明用于析氢反应的TiO₂/C电极材料被成功合成，TiO₂/C-950富含氧空位和C-Ti-O含量，有利于提高催化剂的活性。

图2. (A) Raman图、B) EPR图 、C) XPS图、(D) Ti 2p谱、(E) O1s谱和F) TGA曲线。

3．TiO₂/C电极的电化学测试表明TiO₂/C-950 和TiO₂/C-1050在大电流下显示出高活性。TiO₂/C-950的Cdl值为2.7mF·cm^-2，表明TiO₂/C-950的高催化活性由其固有的活性决定的。稳定性测试表明TiO₂/C-950在高电流密度下表现出较高的稳定性。

图3. (A，B) HER线性扫描伏安曲线、(C) Tafel斜率、(D-E) CV和(F) 循环稳定性。

4．对TiO₂/C-T进行XAS表征，在TiL-edge XAS光谱上可观察到明显的变化，表明碳化温度改变了TiO₂/C中O 2p与Ti 3d和Ti 4s，4p轨道的杂化状态。

图4. (A)Ti L2,3和 (B) O K边的XAS图 (C) TiO₂/C中Ti-O轨道的杂化拟合、(D) 杂化因子。

5．密度泛函理论(DFT)方法研究了TiO₂(101)/C表面和未掺杂TiO₂的H吸附的形成机理，阐明TiO₂/C优异的HER性能的来源和碳掺杂的作用。H优先吸附在TiO₂(101)/C表面的Ti原子上，键长为DH-Ti=2.131ó，而H优先吸附在TiO₂(101)表面，键长为D H-Ti=2.121ó(图5B)，表明C掺杂削弱了Ti-H键，降低了H的吸附能。同时，ΔGH*在TiO₂(101)和TiO₂(101)/C表面分别为−0.122和−0.368，表明H在TiO₂(101)表面形成强化学键，在TiO₂(101)/C表面形成弱化学键。

图5. 密度泛函理论模拟。H在 (A) TiO₂(101)和 (B)TiO₂(101)/C表面吸附的优化模型，红色、灰色和白色球体分别代表氧、钛和氢原子；(C) ΔGH*。

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文章总结

通过碳掺杂制备了一种高效的TiO₂/C催化剂用于大电流密度下电催化析氢反应。本文主要展示了用于析氢反应的TiO₂/C电极材料的性能调控机制。TiO₂/C催化剂大电流下析氢性能通过碳掺杂调变Ti-O杂化来实现。本工作为合成廉价、高效、稳定的析氢催化剂提供了简单的路线。

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相关论文信息

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论文标题：

Regulation of hydrogen evolution performance of titanium oxide–carbon composites at high current density with a Ti–O hybrid orbital

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.162

DOI:10.1002/cey2.162

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