学术研究报告：双功能钛基气体扩散电极的开发及其在可逆燃料电池中的应用

一、研究团队与发表信息
本研究由德国Westphalian University of Applied Sciences的Maximilian Cieluch、Pit Yannick Podleschny、Norbert Kazamer等团队合作完成，发表于期刊*Nanomaterials*（2022年4月，卷12，第1233页）。研究聚焦于开发一种新型双功能钛基气体扩散电极（Gas Diffusion Electrode, GDE），通过一步或两步电沉积铂（Pt）和铱（Ir）催化剂，优化其在氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）中的性能。

二、学术背景与研究目标
为实现《巴黎协定》的减排目标，可再生能源转换技术（如氢能）成为研究热点。单元化可再生燃料电池（Unitized Regenerative Fuel Cell, URFC）因其可逆操作（燃料电池与电解槽模式切换）备受关注，但其核心挑战在于开发高效、低成本的双功能氧电极。当前碳基电极存在腐蚀问题，而钛（Ti）基材料因其耐腐蚀性和高导电性成为潜在替代品。本研究旨在通过电化学沉积法直接在钛基底上构建Pt-Ir催化剂层，避免传统碳载体腐蚀问题，同时探索一步法与两步法沉积对催化剂性能的影响。

三、研究方法与流程
1. 基底预处理
- 材料选择：商用钛纤维毡（Bekipor® ST 2 GDL-40-1.5），孔隙率70%。
- 表面处理：对比氩等离子体刻蚀与草酸（Oxalic Acid）湿化学刻蚀。草酸处理（80°C，30分钟）显著增加表面粗糙度，优于等离子体处理，且成本更低。

1. 电化学催化剂沉积

   • 两步法：
     
     1. Pt沉积：恒电位沉积（CPD, 1.8 V vs. CE）结合脉冲电沉积（PED, 40 mA/cm²），形成微米级Pt簇与纳米级Pt团聚体。
        
     2. Ir沉积：在Pt修饰的基底上通过PED沉积Ir（30 mA/cm²）。
        
   • 一步法：采用二元Pt-Ir合金电解液，通过PED直接共沉积Pt-Ir纳米颗粒。
     

2. 表征与测试

   • 物理表征：扫描电子显微镜（SEM）观察催化剂形貌，能量色散X射线光谱（EDX）分析元素分布。
     
   • 电化学测试：三电极体系（0.5 M H₂SO₄电解液），循环伏安法（CV）评估ORR/OER活性，线性扫描伏安法（LSV）计算动力学参数（如塔菲尔斜率）。
     

四、主要研究结果
1. 催化剂形貌与分布
- 两步法：SEM显示Pt形成微米级簇状结构，Ir均匀覆盖于Pt表面（EDX证实Pt:Ir=99.77:0.23 wt.%）。
- 一步法：球形Pt-Ir纳米颗粒（~100 nm）均匀分散，Pt:Ir比例接近44:56 wt.%，符合电解液设计目标。

1. 电化学性能

   • ORR活性：两步法电极的氢脱附电荷（Qdesorp）达10,657 μC/cm²，但电化学活性面积（ECSA）较低（2.1 m²/g），因Pt负载量过高（2470 μg/cm²）导致活性位点自覆盖。一步法电极ECSA为1.3 m²/g，受Pt-Ir比例影响。
     
   • OER活性：一步法电极质量活性（MA）达34.4 A/gIr，优于两步法（5 A/gPt+Ir），归因于纳米颗粒的高分散性。塔菲尔斜率（436 mV/dec）显示电荷传输效率需优化。
     

2. 基底与催化剂协同效应

   • 草酸处理的钛基底通过表面粗糙化提升催化剂附着力，而钛的耐腐蚀性解决了碳载体在OER高电位下的降解问题。
     

五、研究结论与价值
本研究成功开发了基于钛基底的双功能电极，其创新点包括：
1. 科学价值：揭示了Pt-Ir比例与沉积方法对ORR/OER活性的调控机制，为双功能催化剂设计提供新思路。
2. 应用价值：电极的“即用型”特性（Ready-to-Use）简化了膜电极组装（MEA）流程，降低了URFC的制造成本。
3. 工业意义：电沉积法替代传统喷涂工艺，避免了离子omer（离聚物）粘结剂的性能损失，提升了催化剂利用率。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将草酸湿化学刻蚀与电沉积结合，替代高成本等离子体处理。
2. 结构设计：两步法中的Pt微米-纳米分级结构，以及一步法的均质Pt-Ir纳米颗粒，展现了形貌对活性的关键影响。
3. 性能突破：一步法电极在低Ir负载下实现高OER活性，为降低贵金属用量提供可行路径。

七、其他发现
研究指出，钛基底的纤维结构可能导致接触电阻增加，未来需优化导电性以进一步提升电荷转移效率。此外，EDX分析中Pt与Ir的M壳层X射线能量接近（2.048 keV vs. 1.977 keV），需谨慎区分信号来源。

（全文约2000字）