中国科学技术大学闫立峰教授，JMCA观点：形貌调控Pt@TiO2/石墨烯催化剂具有最优活性面以促进甲醇催化氧化

文 章 信 息

形貌调控Pt@TiO₂/石墨烯催化剂具有最优活性面以促进甲醇催化氧化

第一作者：张可阜

通讯作者：闫立峰*

单位：中国科学技术大学

研 究 背 景

直接甲醇燃料电池(DMFC)已被广泛认为是理想的可再生能源转换装置，然而Pt金属催化剂的低效利用、易发生CO中毒效应和甲醇氧化动力学迟缓阻碍其进一步商业化，因此设计开发高活性且稳定的甲醇氧化电催化剂尤为重要。

通常来讲，载体与催化剂金属之间的协同作用可以有效地调节催化剂金属结构，改变反应分子在催化剂上的吸附性能，提高甲醇氧化活性。另一方面，晶面效应可通过调控催化剂形貌以暴露最优晶面实现表面电子结构的调节，提升电催化性能。因此，构建合理的多组分催化剂来实现高效的电催化活性和稳定性是一个具有发展潜力的策略。

文 章 简 介

基于此，来自中国科学技术大学的闫立峰教授课题组，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Morphological Tuning Engineering of Pt@TiO₂/Graphene Catalysts with Optimal Active Surface of Support for Boosting Catalytic Performance to Methanol Oxidation”的文章。

该文章通过原位紫外光辅助还原策略，研究了UV-Pt@TiO₂/GN作为甲醇氧化反应的高效催化剂。实验结果和理论计算均表明，与TiO₂纳米晶（TONC）相比，具有最优（001）和（110）晶面的TiO₂纳米棒（TONR）有效地加强了Pt捕获能力，增强了对甲醇分子的吸附，并削弱了CO中间物的毒性。

并且在酸性和碱性电解质中，UV-Pt@TONR/GN催化剂都展现出极好的甲醇氧化活性和耐久性。这项工作表明了催化剂形貌/晶面调控对提高催化性能的重要性，并为DMFC催化剂的设计和构建提供了一个可行的思路。

图1. UV-Pt@TiO₂/GN复合催化剂的合成示意图。

本 文 要 点

要点一：UV-Pt@TiO₂/GN复合催化剂的制备及表征

通过简便的水热合成法和原位紫外光辅助还原法制备了具有不同形貌的TiO₂/GN负载Pt纳米粒子复合催化剂。其中TiO₂作为连接金属Pt和石墨烯的桥梁发挥了协同作用，其形态可以通过水热反应时间调控为纳米晶或纳米棒，这种金属-载体相互作用有利于表面性质和电子结构的调整，促进电荷转移，并对MOR催化性能有较大的提升。通过TEM和SEM图可以看到催化剂形貌的变化，高分辨TEM图像也证明了不同形貌的TiO₂暴露晶面也不同，由于TiO₂对紫外辐射的强烈吸收，金属Pt可以均匀地分布在具有（001）和（110）面的TONR上。

进一步地，通过XRD、FTIR和XPS表征证明不同催化剂内部结构的差异。Pt 4f XPS谱图中观察到明显的峰位置移动，表明由于Pt和TiO₂/GN之间的金属载体协同作用，导致UV-Pt@TiO₂/GN的d带中心能级负移，说明该催化剂的氧亲和力下降，这将进一步促进CO从活性位点脱除，提高电催化性能。

图2. UV-Pt@TiO₂/GN复合催化剂的形貌表征。

图3. UV-Pt@TiO₂/GN复合催化剂的结构表征。

要点二：UV-Pt@TiO₂/GN复合催化剂的甲醇氧化性能评价

此外，UV-Pt@TONR/GN的稳定性和抗CO中毒能力也得到了极大的提高，这主要源自于催化剂结构调控暴露较优晶面，TiO₂（001）和（110）晶面协同催化有利于表面吸附的CO进一步氧化，促进甲醇催化氧化。

图4. UV-Pt@TiO2/GN复合催化剂在酸性电解液中的电催化活性。

图5. UV-Pt@TiO₂/GN复合催化剂在碱性电解液中的电催化活性。

要点三：DFT计算

密度泛函理论计算结果表明暴露出更多（001）和（110）面的TiO₂纳米棒有效地增强对甲醇分子的吸附，削弱CO吸附的稳定性，调节缓慢的反应动力学，促进甲醇氧化反应。

图6. 不同晶面的催化剂对CH₃OH和CO分子吸附能的计算。

要点四：总结与展望

结合实验和理论结果，该研究揭示了催化剂形貌/晶面调控对于构建MOR催化剂的意义。得益于强金属-载体相互作用、良好的形貌结构、最佳活性面的暴露、多个催化位点和优异的抗CO毒性，UV-Pt@TONR/GN展现出极好的甲醇氧化催化性能，这项工作为设计和开发高活性和抗中毒性的DMFC阳极催化剂提供了一种新策略。

图7. UV-Pt@TONR/GN复合催化剂示意图。

文 章 链 接

Morphological Tuning Engineering of Pt@TiO₂/Graphene Catalysts with Optimal Active Surface of Support for Boosting Catalytic Performance to Methanol Oxidation

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/TA/D1TA09359B

通 讯 作 者 简 介

闫立峰教授

1969年生于内蒙古莫里达瓦旗，1991年本科毕业于郑州大学，2001年毕业于中国科学技术大学，获理学博士学位，曾多次到日本东京大学，东京工业大学和大阪大学等做JSPS访问学者，《精细化工》编委，现任中国科学技术大学化学与材料科学学院党委书记。主要研究方向是生物功能大分子材料合成与性能，碳材料及其在催化、能量高效转化中的应用，以生物质为原材料的绿色化学研究。以通讯作者身份在Adv. Mater., ACS Nano., Chem. Eng. J., Green Chem., J. Mater. Chem. A., ACS Appl. Mater. Interfaces., Carbon等学术刊物上发表多篇研究论文，至今已发表论文200余篇，被引用7400 余次，H因子38。