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: 28

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 - 05 - 08
    点击次数: 72
    来源:中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心庞磁电阻(Colossal magnetoresistance, CMR)锰酸盐是一类以钙钛矿结构的掺杂锰氧化物(如RE1-xAExMnO3,RE为稀土金属,AE为碱土金属)为代表的材料,其核心特征是在磁场作用下电阻发生巨大变化。这类材料的研究热潮始于20世纪90年代,并在随后的二十多年中持续成为凝聚态物理和材料科学的前沿热点领域。CMR锰酸盐在...
  • 2025 - 05 - 08
    点击次数: 73
    来源:华南师范大学化学学院近年来,通过将分子催化剂封装于超分子组装体中构建主客体催化体系引起了广泛关注。这类体系可通过协同主体与客体的功能/催化活性,实现高活性与高选择性,甚至完成复杂催化反应。目前,多种超分子组装体(如共价笼、配位笼)已被开发为主体外壳,用于构建主客体催化体系并应用于多种催化转化。然而,此类体系在复杂催化反应(如级联反应)中的应用仍鲜有报道。该领域的主要挑战在于如何赋予主体预期的...
  • 2025 - 05 - 07
    点击次数: 74
    来源:福建物质结构研究所近红外染料敏化作用可以克服稀土离子(如Yb3+ 和Nd3+)宇称禁戒跃迁的固有局限,显著增加稀土掺杂无机纳米晶的吸收,为开发高效稀土纳米光学诊疗材料提供了新途径。目前应用于光热转换的染料敏化稀土纳米晶的研究仍处于初步阶段,其中所涉及的激发态动力学及界面相互作用尚不明确。近日,中国科学院福建物质结构研究所/闽都创新实验室的陈学元团队卢珊研究员等成功研发出一种基于染料敏化的cy...
  • 2025 - 05 - 07
    点击次数: 62
    来源:厦门大学化学化工学院近日,我院陈嘉嘉教授利用多金属氧酸盐为光储能电对的光驱动低能耗电解水制氢研究取得重要进展,相关研究成果以“Tunable Multi-electron Redox Polyoxometalates for Decoupled Water Splitting Driven by Sunlight”发表在Nature Communications(DOI:10.1038/s4...
  • 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