EES：Ti2O电极上带负电荷的Pt纳米粒子实现高效氧还原

氧还原反应(ORR)是燃料电池、金属-空气电池等电化学能量转换系统的关键半反应之一。铂等贵金属是目前最高效的ORR催化剂，这也导致了多种基于Pt的纳米材料和合金的开发，这些材料可以减少昂贵且稀缺的Pt的负载量。然而，这些催化剂仍然难以确保在氧化条件下的长期运行稳定性，尤其是对于基于Pt的纳米粒子(NPs)。过渡金属氧化物(TMOs)，如钙钛矿，作为ORR催化剂的一种替代催化剂，已经引起了人们的广泛研究兴趣，但它们的催化活性和稳定性还远不如Pt基催化剂。

基于此，韩国建国大学Hyuksu Han和成均馆大学Sung Wng Kim(共同通讯)等人制备了由[Ti₂O]²⁺ 2e^–负载的带负电荷的铂纳米粒子(Pt NP)，以实现超稳定的电催化ORR。

本文通过测试暴露于空气中的a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–、ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–和商业Pt/C(20wt.% Pt)催化剂的线性扫描伏安(LSV)曲线评估了制备的催化剂的电催化ORR活性。在a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–上形成的带负电荷的Pt NP显著提高了催化剂的极限电流密度和半波电位(E_1/2)。值得注意的是，ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–催化剂的极限电流密度与商业Pt/C催化剂相当。之后，本文进一步研究了ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–催化剂的质量活性。

值得注意的是，在0.4 V电压下，ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–的比活性(14.2 mA cm_pt^-2)和质量活性(3.1 |A| mg_pt^-1)比基准Pt/C催化剂分别高出89倍和31倍。此外，由a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–的LSV曲线可知，起始电位在0.7 V左右，阴离子电子参与反应是明显但却缓慢的，导致带负电荷的Pt NPs表面积累的多余电子的活化较慢，并在0.9 V下获得的比活性(2.10 mA cm_pt^-2)比Pt/C(0.08 mA cm_pt^-2)高26倍，其质量活性(0.45 |A| mg_pt^-1)比Pt/C(0.05 |A| mg_pt^-1)高9倍。催化剂优异的催化性能应该与a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–的强金属-载体相互作用诱导产生的带负电荷的Pt NP有关。

本文的研究结果表明，本文的这种前所未有的Pt纳米颗粒在电子器件上显示出强大的稳定性，即使在连续运行350小时后，其稳定性也能高达95%。基于Pt金属与电子之间功函数的差异，自发的电荷转移并导致Pt-skin结构积累了过量的电子，这是催化剂能实现超持久催化的原因。

值得进一步注意的是，本文制备的催化剂的比活性和质量活性比最近报道的Pt纳米结构催化剂高了一个数量级以上。这种优异的催化性能在实际的AMEFC中得到了实现，引发了对商业燃料电池性能提升的进一步深入研究。由于由极低功函数的电子支撑的金属纳米材料原则上可以带负电荷，因此这项工作为开发工业能源转换中实用的异质结构电催化剂提供了合理的策略。

Negatively Charged Platinum Nanoparticles on Dititanium Oxide Electride for Ultra-durable Electrocatalytic Oxygen Reduction, Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/d3ee01211e.

https://doi.org/10.1039/D3EE01211E.