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Pt Nanoparticles Supported on Ta-Doped TiO2 for Durable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

化学 电解水 析氧 铂金 钽 阳极 电解 分解水 无机化学 电化学 纳米颗粒 氢 铱 光电解 催化作用 化学工程 吸附 贵金属 离解(化学) 钛 二氧化钛 阴极 光化学 铂纳米粒子 水的自电离 费米能级 氧气 制氢 Pourbaix图 纳米团簇 金属 氢化物 质子 膜 电子 次磷酸钠
作者
Hao Yu,Bingbao Mei,Wenmin Ma,Xian Wang,Hengjie Liu,Weiyi Zhao,Wenhui Wang,Xiaoke Xi,Tianqi Shang,Wenwen Gao,Ruiguo Cao,Huijun Jiang,Zheng Rong Jiang,Junjie Ge
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c13577
摘要

Abstract Platinum (Pt) is more earth-abundant and corrosion-resistant than iridium (Ir), yet its deployment as an acidic oxygen anode has been abandoned due to the formation of a self-passivating, insulating PtO2 film. Here, we show that this century-old bottleneck can be alleviated by an electron-shuttling junction in which Pt nanoparticles are anchored to a tantalum (Ta)-doped titanium dioxide support, with Fermi level higher than Pt. The built-in contact potential injects electrons into Pt via Pt–O–Ta/Ti bridges and continuously bleeds the bypass oxygen evolution electrons to Pt at high bias, thereby suppressing the formation of a passivating α–PtO2 layer. In situ spectroscopies reveal the successful preservation of Pt 5d occupancy, along with strengthened surficial water adsorption (alleviated reversed Stark effect of νOH). The assembled electrolyzer, with a Pt loading of only 350 μgPt cm–2, achieves 3 A cm–2 at 2.262 V and operates for 1500 h under 1 A cm–2 without noticeable passivation. Life cycle cost analysis estimates a green hydrogen price of US$1.56 kg–1, below both the US DOE 2026 target and the costs of contemporary alkaline electrolyzers. This concept relocates the stability problem from the noble metal to a tunable oxide, providing a general blueprint for passivation-free, platinum-based acid water-splitting catalysts.
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