提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极催化剂的氧化还原反应（ORR）的活性和稳定性具有重要意义。TiO2具有储量丰富，低成本，无毒性和高稳定性等优势，可以在能量转换和存储系统中发挥重要作用。然而，由于宽带隙能（E g = 3.2 eV），TiO2是绝缘体，因此它不能有效用作电催化剂。迄今为止，已经有一些使用TiO2作为ORR催化剂的研究，但是该催化剂基本显示出低活性。研究表明通过改性催化剂的电子结构并找到持久耐用的载体是改善这些性能的良好方法。近日，大阪府立大学Keerti M. Naik等人开发了一种多功能无碳氧空位TiO2纳米片（TiO2-x NSs）作为催化剂载体，与TiO2 NSs相比，TiO2-x NSs载体具有更高的电子传导性。研究铂纳米粒子负载的TiO2-x NSs（Pt–TiO2-x NSs）催化剂对ORR表现出的活性。
文章要点：
1）通过简单的水热法合成锐钛矿型TiO2 NSs，将制备的锐钛矿型TiO2 NSs添加到NaBH4溶液，通过磁力搅拌，离心，洗涤及真空干燥等过程获得了锐钛矿型TiO2-x NSs。通过用相同的还原步骤用Pt NPs 装饰TiO2 NSs和TiO2-x NSs来制备Pt-TiO2 NSs和Pt-TiO2-x NSs。
2）XRD图谱显示，所获得的TiO2 NSs和TiO2-x NSs载体材料的晶相为TiO2四方相锐钛矿，SEM和TEM测试显示大量的NS具有清晰的矩形片状结构，平均侧面尺寸约为30–50 nm。 Pt NPs均匀分布在TiO2-x NSs上，其平均大小为3.8 nm。 EDS作图分析表明，三种元素（Ti，O和Pt）均匀分布，这表明Pt NPs均匀分布在载体TiO2-x NSs上（图2（d–h））。EDS分析估计Pt–TiO2-x NSs中Pt NPs的含量约为10 wt％，Pt–TiO2-x NSs中低比例的Pt NPs有利于改善整个电极的输送性能。此外，进行了XPS分析以研究Pt–TiO2-x NSs 的表面元素组成和化学状态。通过紫外可见吸收光谱研究了TiO2 NSs和TiO2-x NSs 的光学响应和带隙值。TiO2 NSs仅在紫外线辐射下才有活性，而TiO2-x NSs在可见光和近红外辐射下都具有活性。
3）研究了Pt–TiO2-x NSs在酸性介质中对ORR 的催化作用，与纯Pt表面相比，Pt–TiO2-x NSs表面具有较低的亲氧性，并且与含氧物质的结合力较弱，因此Pt–TiO2-x NSs对ORR表现出优异的活性。
4）研究了Pt–TiO2-x NSs在PEMFC体系中作为阴极催化剂的性能，使用Pt–TiO2-x NSs催化剂的PEMFC 显示出高功率密度（958 mWcm-2）。Pt–TiO2-x NSs催化剂载体表现出出色的稳定性和耐久性。
Keerti M. Naik,et al. Two-dimensional oxygen-deficient TiO2 nanosheets-supported Pt nanoparticles as durable catalyst for oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 2020
DOI:10.1016/j.jpowsour.2020.227972
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.227972
