Ni/TiO2-VO纳米线自支撑薄膜的界面工程与电催化产氢性能

doi:10.7503/cjcu20230057

摘要/Abstract

摘要：

将采用水热法合成的钛酸钠纳米线自支撑薄膜通过离子交换及高温H₂/Ar（H₂的体积分数5%）混合气还原, 构筑了负载Ni纳米颗粒的富氧空位的TiO₂纳米线自支撑薄膜材料(Ni/TiO₂-V_O NFFs). 在H₂/Ar混合气高温还原过程中, TiO₂纳米线产生的大量氧空位和低配位的Ti³⁺可以调节TiO₂的电导率. Ni与TiO₂在界面的强相互作用优化了电子结构, 促进了电化学析氢反应(HER)活性的提升. 密度泛函理论（DFT）计算结果显示, Ni/TiO₂-V_O NFFs具有更优的氢吸附吉布斯自由能(ΔG_H*). 在1 mol/L KOH溶液中, Ni/ TiO₂-V_O NFFs在10 mA/cm²电流密度下的过电位为67 mV, 且具有优异的稳定性, 在电催化HER领域中显示出巨大的应用潜力.

关键词: 二氧化钛, 电催化, 电化学析氢反应, 界面工程

Abstract:

In this paper， a self-supporting titanate nanowire thin film was synthesized by a hydrothermal method. After an ion exchange reaction and a high-temperature H₂/Ar（5%） mixture reduction， the Ni nanoparticles modified oxygen-rich vacancy TiO₂ nanowire self-supporting films（Ni/TiO₂-V_O NFFs） were obtained. During the high-temperature reduction in H₂/Ar atmosphere， abundant oxygen vacancies and low-coordinated Ti³⁺ sits were generated on the surface of TiO₂ nanowires， which lead to the improvement of the electrical conductivity of TiO₂ film. In addition， the strong interaction between Ni nanoparticles and TiO₂ optimized the electronic structure and promoted the electrocatalytic hydrogen evolution reaction（HER） activity. density functional theory（DFT） calculations revealed that Ni/TiO₂-V_O NFFs had optimal Gibbs free energy of hydrogen adsorption（ΔG_H*）. As a result， Ni/TiO₂-V_O NFFs exhibited an overpotential of 67 mV at 10 mA/cm² in 1 mol/L KOH solution and displayed excellent stability， showing great potential in the field of electrocatalytic HER.

Key words: TiO₂, Electrocatalysis, Hydrogen evolution reaction（HER）, Interface engineering

中图分类号:

O646

TrendMD:

赵环宇, 米洪田, 常月琪, 周冬雪, 张立国, 杨穆. Ni/TiO₂-V_O纳米线自支撑薄膜的界面工程与电催化产氢性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230057.

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图/表 7

Fig.1 SEM images of Na2Ti3O7 NFFs(A), Ni2+⁃H2Ti3O7 NFFs(B) and Ni/TiO2⁃VO NFFs(C, D)

Fig.2 HRTEM(A), TEM(B) images and corresponding EDS element mapping images of Ti(C), O(D), Ni(E) of Ni/TiO2⁃VO NFFs

Fig.3 XRD patterns of Na2Ti3O7 NFFs, Ni2+⁃ H2Ti3O7 NFFs, NiO/TiO2 NFFs and Ni/TiO2⁃VO NFFs

Fig.4 XPS spectra of Ni2p (A), Ti2p (B), and O1s (C) for NiO/TiO2 NFFs and Ni/TiO2⁃VO NFFs, EPR spectra(D) of Ni/TiO2⁃VO NFFs, TiO2⁃VO NFFs, NiO/TiO2 NFFs and TiO2 NFFs

Fig.5 LSV curves(A), Tafel curves(B), EIS curves(C) and ECSA(D) of Ni/TiO2⁃VO NFFs, TiO2⁃VO NFFs, NiO/TiO2 NFFs, TiO2 NFFs and Pt/C catalystsInset of (C): equivalent circuit diagram. Rs: solution resistance； CPE: constant phase element.

Fig.6 Chronopotentiometry of the Ni/TiO2⁃VO NFFs at the current density 50 mA/cm2(A) and LSV curves of Ni/TiO2⁃VO NFFs before and after the 100 cycles test(B)

Fig.7 Scheme of hydrogen adsorption sites: Ti atom bonded with Ni in Ni/TiO2⁃VO NFFs(A), Ni atom in Ni/TiO2⁃VO NFFs(B), Ti atom anchored in the vacancy of TiO2⁃VO NFFs(C), Ti atom bonded with five coordination on the surface of TiO2 NFFs(D) and corresponding calculated free energy diagram(E)

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Ni/TiO₂-V_O纳米线自支撑薄膜的界面工程与电催化产氢性能

Interfacial Engineering and Electrocatalytic Hydrogen Evolution Performance of Ni/TiO₂-V_O Nanowires Self-supporting Thin Films

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