1成果简介
燃料电池以氧气和氢气为原料，具有环境友好、能量密度高的优点，有望解决化石燃料过度使用造成的能源短缺等问题。氧化还原反应（ORR）是燃料电池的阴极反应，在缓慢的速率确定步骤中发生。然而，由于ORR路径和中间体更加复杂、反应活化能较高以及固有动力学速率较慢，燃料电池的实际应用始终受限于缓慢的ORR动力学。
二氧化钛（TiO2）具有丰富、无毒、热稳定性高等优点。然而，不同金属掺杂剂对TiO2氧还原性能的影响仍不完全清楚。此外，制备具有高催化活性的金属掺杂TiO2仍然是一个挑战，并且对于合成这些材料的最有效方法尚未达成共识。气凝胶材料具有可调节的组成和结构，可以通过构建高孔隙率、高比表面积和大量介孔的三维网络来提高ORR催化性能。
基于此，南京工业大学沈晓冬教授、孔勇教授团队提出了一种用于燃料电池ORR的金属杂化钛基气凝胶电催化材料的通用合成方法，其以酚醛树脂（RF）和TiO2作为气凝胶基础骨架，通过溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺成功制备了不同金属掺杂（包括铁、钴、镍、铜和铂）的气凝胶电催化材料。并且研究了每种金属掺杂剂对氧还原性能的影响，阐述了金属杂化气凝胶高催化活性的潜在机制。该合金气凝胶的成功研制，可以为基于金属杂化气凝胶的先进电催化剂材料的设计提供新思路，并促进高效燃料电池技术的开发。相关研究成果以“General approach to the synthesis of metal hybrid carbon/titania aerogel for the oxygen reduction reaction”为题发表在化工领域《Energy & Fuels》期刊上(博士生任建、赵志扬为论文的共同一作)。
2图文导读
图1. 金属杂化钛基气凝胶电催化材料的通用合成方法
图2. 气凝胶电催化材料的结构表征
图3. 气凝胶电催化材料的形貌表征
图4. 气凝胶电催化材料的电化学表征1
图5. 气凝胶电催化材料的电化学表征2
图6. 气凝胶电催化材料的电化学表征3
图7. 气凝胶电催化材料的电化学表征4
图8、 气凝胶电催化材料的协同催化机理
3小结
简而言之，通过溶胶-凝胶反应、超临界CO2干燥和碳热还原制备了一系列金属掺杂TiO2基气凝胶（CTA-M）催化剂。金属掺杂后，CTA-M的比表面积最高可以达到774 m2 g–1，高的孔容和比表面积使CTA-M具有较高的传质能力。此外，锐钛矿的高度不对称性导致CTA-M晶体结构中存在氧空位。部分Ti4+被还原形成Ti3+以维持晶体结构的静电平衡，验证了锐钛矿相对于金红石的优异催化活性以及非化学计量产物对电导率的增强，进一步影响ORR的催化活性。微量金属掺杂可以调节CTA-M的电子结构和成分。硝酸铁掺杂的碳/二氧化钛气凝胶（CTA-Fe-A）表现出最好的孔结构和氧吸附性能。CTA-Fe-A的比表面积和孔体积分别为720 m2 g–1和1.12 cm3 g–1。起始电位、半波电位和极限电流密度分别为0.82 V、0.74 V和4.96 mA cm –2。因此，这种通用的合成技术和所得的CTA-M可以为高效ORR催化剂的大规模商业生产带来启迪，推动燃料电池的高效快速发展。
文献：
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