利用ZnTiO?钙钛矿沉积在Fe螺旋间距电极上，实现电化学水分解反应的优化，从而高效生成氢气和氧气

《Journal of the Indian Chemical Society》：Enhanced Electrochemical Water Splitting for Hydrogen and Oxygen Evolution Reaction using ZnTiO 3 Perovskite deposited Fe Screw Pitch Electrode

电催化水裂解中ZnTiO3纳米颗粒涂覆铁螺距圆柱电极的制备与性能研究，采用溶胶-凝胶法合成ZnTiO3并负载于Fe SPCE电极，实现HER和OER低过电位（262和279 mV）及高稳定性（500小时效率38.4%）。

　　

Suhriday Barman | Partha Pratim Sahu

电子与通信工程系，Tezpur大学，Tezpur，印度，784028

摘要

对于可扩展的应用而言，电催化剂的催化性能、活性材料的选择以及电极设计都对电化学水分解的效率有着重要影响。在这项工作中，我们介绍了一种基于ZnTiO₃钙钛矿的电催化剂，该催化剂被涂覆在铁（Fe）螺旋间距圆柱形电极（SPCE）基底上，并采用溶胶-凝胶辅助热处理方法制备，以增强表面可及性并促进氢气和氧气析出反应（HER和OER）过程中的气泡脱离。凭借其稳定的钙钛矿结构和强大的氧化还原活性，ZnTiO₃电催化剂在10 mA/cm²的电流密度下，分别实现了279 mV和262 mV的较低过电位。此外，其Tafel斜率分别为38.2 mV/dec（OER）和45.6 mV/dec，表明反应机制高效。经过500小时的连续电化学分析，氢气生成效率仍保持在38.4%且性能未下降。这些发现凸显了ZnTiO₃作为经济高效且耐用的电催化剂的潜力，非常适合高性能的水分解应用。

引言

随着对全球变暖和化石燃料使用增加所导致污染问题的日益关注，人们更加重视寻找清洁和可持续的能源[1]。氢气被认为是一种有前景的清洁能源，有助于减少化石燃料带来的环境问题。已经探索了多种从水中制氢的方法，其中电催化水分解是一种值得注意的方法[2, 3]。这种方法利用太阳能将水分解为氢气和氧气，最初由Fujishima和Honda在1972年提出[4]，在可持续能源生产方面具有巨大潜力。

钙钛矿材料因其独特的ABX₃立方晶体结构而成为近期研究的焦点，其中A和B是阳离子，X是阴离子。钙钛矿材料的灵活结构允许替换不同的阳离子和阴离子，通过改变A、B和X位点的元素来调节其性质[6, 7, 8]。含有多种阳离子的三元和四元钙钛矿进一步扩展了这些材料的组成灵活性和可调性[9, 10]。

含钛作为主要阳离子的钛酸盐钙钛矿因其特殊性质而在能源存储、催化和电子设备领域引起了越来越多的兴趣[11, 12]。这些材料表现出多种性质，包括铁电性、压电性和超导性。例如钡钛酸盐（BaTiO₃）、锶钛酸盐（SrTiO₃）和铅钛酸盐（PbTiO₃），其中钡钛酸盐以其高介电常数和铁电性质而特别引人注目[13, 14, 15]。最近，研究人员研究了钛酸盐钙钛矿，因为它们在电催化、能量存储和化学检测等领域具有应用潜力。

在可持续能源领域，通过水分解生成氢气正变得越来越受欢迎，作为一种清洁和可再生的替代化石燃料的方式。这种方法有助于减少环境污染和对不可再生能源的依赖，使其成为未来能源系统的有吸引力的选择。氢气是一种优良的能源，因为单位重量包含大量能量，并且在使用过程中不会释放二氧化碳。电化学水分解尤为重要，因为它可以使用经济高效的电催化剂高效地生成纯氢气（用于氧气析出反应OER和氢气析出反应HER）。半导体引发的光催化和光电催化是水分解领域的主要技术[16]。研究人员致力于开发活性高、稳定性好、成本低、环保且效率高的电催化材料[17, 18, 19]。然而，这些材料的宽带隙限制了它们对紫外光谱的吸收，从而降低了整体效率，例如GaAs的最大太阳能到氢气转换效率仅为12.4%[20]。

钙钛矿氧化物因其能够容纳各种掺杂剂并产生氧空位而表现出优异的催化性能，这对提高其电化学性能至关重要[21, 22]。例如，用过渡金属掺杂可以显著提高钙钛矿氧化物的导电性和活性，使其在HER和OER中更加有效。研究表明，如LaNiO₃、SrCoO₃和Ba_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ等钙钛矿氧化物在水分解中表现出优异的性能[23, 24]。此外，对其组成和结构的精细调节可以优化其催化性能，进一步提高效率和稳定性[25, 26]。

钛酸锌（ZnTiO₃）最近作为潜在的水分解电催化剂受到了广泛关注。ZnTiO₃凭借其独特的物理化学性质具有多种优势，包括出色的稳定性、可调的电子结构和丰富的组成元素。这些性质使其成为水分解中HER和OER应用的理想候选材料。ZnTiO₃的钙钛矿结构为催化活性提供了有利的环境，晶格中锌和钛的协同作用增强了电荷转移能力和活性位点的可用性，这对高效水分解至关重要。

在这项研究中，我们探讨了ZnTiO₃作为水分解电催化剂的潜力，重点研究了其合成、沉积和催化性能。为此，我们将ZnTiO₃沉积在Fe SPCE上，以研究HER和OER。

ZnTiO₃电催化剂的材料与合成

氯化锌、氢氧化钠和四丙氧基钛均从Merck和Sigma-Aldrich公司购买。所有化学品均为分析级。图1详细解释了改进的溶胶-凝胶法用于合成ZnTiO₃纳米颗粒的过程。

表征

使用Bruker AXS D8 FOCUS粉末X射线衍射仪研究了制备的粉末样品的晶体结构。测量是在2θ角度范围10°到...（原文此处数据缺失）内进行的。

ZnTiO₃电催化剂的表征

经过600°C下煅烧三小时的ZnTiO₃样品的XRD图谱（图3a）显示，(111)、(110)、(211)、(101)、(104)、(220)、(103)、(210)、(310)、(400)、(018)、(214)、(300)和(208)晶面的衍射峰分别对应2θ = 26.82°、29.12°、31.82°、32.42°、35.42°、37.36°、43.76°、45.56°、46.66°、52.96°、54.90°、56.91°、64.98°和66.25°。这与传统的JCPDS [26-1500]数据相符。

结论

在这项研究中，ZnTiO₃钙钛矿被用作低成本且高效的双功能电催化剂，用于通过水分解生成氢气和氧气。ZnTiO₃材料采用湿化学方法制备，在HER和OER中均表现出强烈的催化性能。值得注意的是，涂覆有ZnTiO₃的电极在10 mA/cm²的电流密度下，HER的过电位为262 mV，OER的过电位为274 mV。

CRediT作者贡献声明

Suhriday Barman：撰写——初稿、验证、方法论、研究、概念化。 Partha Pratim Sahu：撰写——审阅与编辑、监督、概念化

未引用参考文献

5..

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢SAIC和Tezpur大学为研究工作提供的支持和设施。