综合新闻 News
联系我们
  • 客服服务电话:021-64321087
  • 商业服务电话:13918059423
  • 技术服务电话:13918059423
  • 联系人:崔老师 
  • 服务邮箱:shxtb@163.com
  • 地址:上海市徐汇区桂林路100号8号楼107室

非晶化调控稀土4f电子态,制备超高Ce³⁺浓度高效催化剂

日期: 2025-04-16
浏览次数: 46

来源:X-MOL

稀土元素的催化性能高度依赖于其4f电子态,然而4f电子的调控长期面临多重挑战:4f轨道处于原子内层,受外层5s、5p电子的强烈屏蔽,难以与外界环境有效耦合;其电子云分布高度局域化,晶体材料的有序晶格结构严格限制了4f电子的动态行为,传统的晶体掺杂或缺陷工程难以打破这种局域性,此外,高浓度Ce3+易引发相变(如CeO2→Ce2O3),造成材料失活。

针对这一难题,北京航空航天大学郭林教授(点击查看介绍)、刘利民教授(点击查看介绍)团队及合作者提出了一种创新策略:通过异质离子掺杂诱导CeO2非晶化,打破晶体对称性对4f电子的束缚,实现4f电子态的有效调控和Ce3+含量的显著提升。

该非晶化策略的关键在于破坏传统CeO2晶体中1.png对称性的有序结构。在该晶体中,每个氧原子通常与四个铈原子配位(OⅣ),形成高度稳定的结构。研究团队通过引入B掺杂,使每个B原子与三个O原子结合,形成平面结构的BO33-基团。这种结构单元不仅削弱了原有的Ce–O键,诱导形成大量三配位氧(OⅢ),同时也破坏了晶体对称性,成功促使CeO2发生非晶转变。第一性原理计算表明,B掺杂引起的结构畸变在CeO2带隙中引入了f轨道中间态,增强了Ce4+向Ce3+的还原趋势,且Ce3+比例随B含量增加而升高。当B掺杂量达到7.69%时,Ce3+含量可高达75%。

为实现这一目标,研究团队采用湿化学法,以氧化石墨烯作为基底制备了B掺杂、表面平整厚度约5.3 nm的非晶CeO2纳米片。EDS结果确认Ce、B、C和O元素分布均匀,FTIR光谱进一步证实B以BO3基团形式存在于材料中。

通过调控B掺杂的含量(1.9%~7.5%),可以实现对CeO2/GO纳米片非晶化程度的精准控制。XPS、L边XANES和M边XANES分析表明,随着B掺杂含量的提升,Ce3+比例持续上升,结果与理论预测高度一致。XPS定量结果显示,Ce3+比例可由48.2%提升至85.7%,说明该非晶化策略有效拓宽了电子态调控范围。此外,非晶无序结构进一步抑制了氧空位的再氧化,使Ce3+在空气中暴露60天后仍保持稳定,解决了晶体材料易相变的缺陷。

非晶化策略不仅优化了材料微观结构,更显著提升了光响应与催化性能。紫外-可见漫反射光谱表明,非晶化使材料带隙从2.86 eV降至2.42 eV,大幅拓宽了可见光吸收范围。时间分辨光致发光衰减测试结果显示,光生载流子寿命从8.8 ns延长至15.77 ns,瞬态光电流强度显著增大,表明电荷分离效率的显著提升。

在低浓度CO2光催化还原测试中,B-7.5%催化剂展现出卓越性能:15% CO2浓度下,CO生成速率达249.33 μmol·g-1·h-1,选择性100%;即使CO2浓度降至1%,速率仍可保持103.4 μmol·g-1·h-1,远超同类催化剂。

本研究首次系统地验证了非晶化策略对稀土4f电子态调控的可行性,突破了传统晶体结构中对电子态的对称性限制,显著拓宽了4f电子的调控范围。该策略不仅实现了在低浓度条件下对CO2的高效光催化还原,也为稀土纳米材料的结构设计与性能优化提供了全新思路。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。


Hot News / 相关推荐
  • 2025 - 10 - 29
    点击次数: 21
    来源:中国稀土网近日,中国稀土学会理事、催化专业委员会委员、南京大学董林教授团队联合大唐南京热电有限责任公司攻坚的“燃气蒸汽联合循环机组全工况超低排放催化技术研究与应用”科技项目取得圆满成功。该项目成功破解了燃机在启停、低负荷等复杂工况下氮氧化物排放控制的行业瓶颈,标志着我国在燃气发电环保领域取得了新进展。面对机组启停及低负荷阶段出现的剧烈温度波动、高空速、高湿度等极端复杂工况,董林教授团队充分发...
  • 2025 - 10 - 29
    点击次数: 22
    来源:中国稀土网近日,包钢集团矿山研究院科研团队传来捷报,依托包钢集团重点科研项目与深地科技国家重大专项,针对白云鄂博复杂共伴生矿开发难题,科研团队在铌资源精细化利用领域取得“快速检测、精准定位、质量预报”三大技术突破,对增强国家战略资源安全保障能力具有积极意义。快速检测“CT扫描仪”为破解白云鄂博复杂共伴生矿在采矿作业过程中存在的传统理化分析时间长、指导现场生产不及时等问题,科研团队成立多元素快...
  • 2025 - 10 - 28
    点击次数: 32
    来源 :中国稀土网 1、埃奎诺克斯资源公司(Equinox Resources)在巴西的坎波格兰德项目(Campo Grande)钻探证实一个浅部稀土成矿系统。中段钻探在1米深处见矿14米,总稀土氧化物(TREO)品位0.4022%,磁体稀土氧化物(MREO)占比为26%。北部钻探在45米深处见矿15米,TREO品位0.3268%,MREO占比21%。该矿临近巴西稀土公司(Brazilian Ra...
  • 2025 - 10 - 27
    点击次数: 52
    来源:中国稀土网10月22日,内蒙古自治区工信厅副厅长杨茂盛主持召开三季度全区重点工业行业经济运行座谈会,围绕当前各重点行业发展形势、前三季度运行情况、存在的问题及对全年走势的判断展开交流,研究推动行业高质量发展相关工作。会上,自治区钢铁有色金属工业协会、有色金属产业促进会、稀土行业协会、水泥协会、石油和化学工业协会、氟硅产业促进会、氯碱行业协会、现代煤化工产业链促进会、光伏装备产业促进会、低空经...
  • Copyright ©Copyright 2018  2020 上海市稀土协会 All Rights Reserved 沪ICP备2020034223号-1  沪公网安备 31010402010140号
    主办单位:上海市稀土协会 指导单位:上海市稀土材料开发应用办公室 承办单位:上海稀土产业促进中心 
    犀牛云提供企业云服务