球形双金属Ti0.5Sr0.5O3的开发：一种用于碱性介质中全水分解的高效双功能电催化剂

《RSC Advances》：Development of sphere-shaped bimetallic Ti0.5Sr0.5O3 as an efficient bifunctional electrocatalyst for overall water splitting performance in alkaline media

　　

开发低成本、高活性的电化学水分解电催化剂对降低未来能源需求至关重要。水分解被视为电能储存的可行方案，研究人员致力于设计无毒、高性能且经济高效的析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）与析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）催化剂。本研究采用简易固相法合成球形结构的钛锶复合氧化物Ti0.5Sr0.5O3，并通过X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）、拉曼光谱（Raman Spectroscopy）、场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）、X射线光电子能谱（X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）及傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR）对其晶体结构、形貌与元素组成进行表征。在1.0 M氢氧化钾（KOH）碱性电解液中，负载于泡沫镍（Nickel Foam, NF）的Ti0.5Sr0.5O3（Ti0.5Sr0.5O3/NF）表现出优异的OER活性，过电位为299 mV，Tafel斜率为152.5 mV dec?1；同时具备良好的HER活性，过电位为101.6 mV，Tafel斜率为179 mV dec?1。该研究为开发低成本、高效的水分解催化剂提供了创新路径，契合联合国可持续发展目标7（Sustainable Development Goal 7, SDG 7）中关于可负担清洁能源的要求。

论文解读：《球形双金属Ti_0.5Sr_0.5O₃作为碱性介质中全水分解高效双功能电催化剂的开发》

全球能源短缺与环境污染因化石燃料过度开采与使用日益严峻，开发替代能源及高效能量转换存储技术成为迫切需求。电化学水分解制氢因产物清洁、能量密度高被视为可持续方案，但该过程包含析氧反应（OER）与析氢反应（HER）两个半反应，其中OER涉及四电子转移机制，动力学缓慢，需高过电位克服能垒，制约整体效率。传统贵金属催化剂（如Ir、Ru基化合物）虽活性优异，但成本高、资源稀缺，难以大规模应用；过渡金属氧化物因成本低、结构可调成为研究热点，但其本征活性仍有待提升。在此背景下，研究人员聚焦开发兼具高活性、稳定性与经济性的非贵金属双功能电催化剂，以推动绿色氢能规模化制备，助力实现联合国可持续发展目标7（SDG 7）。

本研究以钛酸四丁酯、碳酸锶为原料，通过简易固相反应法合成球形Ti_0.5Sr_0.5O₃，并将其负载于泡沫镍（NF）基底制得Ti_0.5Sr_0.5O₃/NF电极。研究人员采用XRD、Raman、FE-SEM、TEM、XPS、FT-IR等技术系统表征材料晶体结构、形貌与元素价态，结合电化学测试（线性扫描伏安法LSV、Tafel斜率、电化学阻抗谱EIS、计时电流法）评估其在1.0 M KOH电解液中的OER与HER性能，并通过稳定性测试后表征验证材料结构稳定性。

结果与讨论

材料结构与表征：XRD结果表明Ti_0.5Sr_0.5O₃为单一晶相，衍射峰尖锐，结晶度高，空间群为P4₃32；FT-IR与Raman光谱证实材料中Ti-O-Ti、Sr-O键的存在，热重-差热分析（TGA-DTG）显示400°C为球形结构形成的关键温度区间。BET测试表明材料为介孔结构，比表面积达181 m2 g^?1，利于电解质渗透与活性位点暴露。FE-SEM与TEM图像显示材料呈均匀球形形貌，高分辨TEM（HRTEM）与选区电子衍射（SAED）进一步验证其高结晶度与晶面间距（(221)、(002)、(212)晶面分别对应0.08 nm、0.8 nm、0.20 nm）。元素映射（Mapping）与XPS分析表明Ti、Sr、O元素均匀分布，Ti以Ti⁴⁺为主（含少量Ti³⁺氧空位），Sr为Sr²⁺，氧包含晶格氧与表面羟基，共同构成催化活性中心。

电催化性能评估：在1.0 M KOH中，Ti_0.5Sr_0.5O₃/NF的OER过电位仅为299 mV（10 mA cm^?2），显著低于商业RuO₂（525 mV）与纯NF（545 mV）；Tafel斜率为152.5 mV dec^?1，低于RuO₂（246.1 mV dec^?1）与NF（288.6 mV dec^?1），表明其电荷转移动力学更优。HER性能方面，该材料过电位为101.6 mV（10 mA cm^?2），略优于RuO₂（103.3 mV），Tafel斜率为179 mV dec^?1，符合Volmer-Heyrovsky反应机制。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻（R_ct）更低，电化学活性面积（ECSA）更大（OER与HER的C_dl分别为2.05 mF cm^?2与2.83 mF cm^?2）。稳定性测试中，材料在200 mA cm^?2电流密度下可维持40小时活性无明显衰减，XRD与SEM表征证实反应后体相结构稳定，仅表面发生轻微重构形成无定形（氧）氢氧化物层，表明其为稳定的预催化剂。

结论

研究人员通过固相法成功制备球形双金属Ti_0.5Sr_0.5O₃电催化剂，其在碱性介质中兼具优异的OER与HER活性，过电位与Tafel斜率均优于或与商业贵金属催化剂相当，且稳定性良好。该性能归因于Ti-Sr位点的协同作用、氧空位调控的电子结构优化、高比表面积与介孔结构促进的物质传输。本研究为过渡金属氧化物基双功能电催化剂的设计提供了新思路，有望推动低成本、高效水电解制氢技术的实际应用，相关成果发表于《RSC Advances》。