通过镍掺杂在CeO2中制备活性催化剂，以实现高效的水分解和利用水力发电单元生产绿色能源

《ACS Omega》：Engineering Active Sites in CeO2 by Nickel Doping for Efficient Water Splitting and Green Energy Production by Hydroelectric Cells

研究采用共沉淀法制备了CeO2及不同镍掺杂浓度的CeO2纳米材料，通过XRD、Raman、BET等表征手段发现，3M%镍掺杂显著提升了氧空位浓度（Raman I_D/I_F2g达1.34）、表面活性（比表面积增至113.18 m2/g）和离子扩散效率（阻抗最低16Ω）。水力电池测试表明，3M% Ni-CeO2电池短路电流达40 mA，较纯CeO2提升4.4倍，功率36 mW，为目前报道的最高输出之一，归因于掺杂优化了水裂解动力学和离子传输路径。

　　本研究围绕一种名为“水力电极”的设备展开，旨在通过在常温下直接将水分子分解为H3O+和OH?离子，从而产生电能。这种设备不仅能够提供清洁能源，同时还能作为副产物生成氢气，展现出在可持续能源领域的应用潜力。研究团队通过共沉淀法合成了CeO2及镍掺杂的CeO2纳米颗粒，并对其进行了系统的表征。X射线衍射（XRD）证实了这些材料具有氟石结构，而拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）则揭示了镍掺杂引起的氧空位形成。场发射扫描电镜（FESEM）显示了纳米颗粒的均匀分散形态，而比表面积分析（BET）则证明了材料表面性质的显著改善。研究发现，纯CeO2的比表面积为34.83 m2/g，而3M%镍掺杂的CeO2比表面积提升至113.18 m2/g，其孔径为7.5 nm，孔体积达到0.1653 cm3/g。实验中制备的4 cm2水力电极在开路电压为0.9 V时，短路电流分别达到8.98 mA、15.03 mA、40.0 mA和12.0 mA，表明镍掺杂显著提升了水分子的分解效率。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，3M%镍掺杂的CeO2电极在湿润条件下表现出最低的阻抗（约16 Ω），进一步验证了其优异的离子扩散性能。这些结果表明，镍掺杂对水力电极的性能具有显著的提升作用，尤其是在增强水分子分解能力方面。

在能源需求日益增长的背景下，化石燃料的使用带来了严重的环境问题，如二氧化碳排放量的增加。印度作为全球第三大温室气体排放国，其能源需求预计将在2035年前增长35%，这促使了对可再生能源技术的深入研究。为了应对这一挑战，研究人员探索了多种材料用于水力电极的开发，以实现可持续的绿色能源生产。这些研究不仅包括铁基材料，还涉及纳米复合材料。例如，使用锂铁氧材料的电极可输出13.7 mW的功率，而锂掺杂的铁氧电极则能达到30.8 mW的输出功率。其他研究也显示了不同材料在水力电极中的应用潜力，如镁铁氧材料、氧化铈-石墨烯复合材料等。尽管这些材料在水分子分解方面取得了进展，但CeO2基水力电极的研究仍相对有限，主要因为其输出功率较低，需要进一步优化。

本研究中，CeO2和镍掺杂的CeO2纳米颗粒的制备采用了简单的共沉淀法。这种方法不仅操作简便，而且能有效控制材料的组成和结构。在合成过程中，研究人员首先将硝酸铈溶解于去离子水中，然后加入适量的硝酸镍溶液，通过调节pH值至10，形成均匀的沉淀。经过离心、洗涤和干燥后，材料在高温下进行煅烧，最终得到CeO2纳米颗粒。这种制备方法确保了材料的均匀性和可控性，为后续的性能测试奠定了基础。

为了全面评估材料的结构和性能，研究团队采用了多种表征手段。XRD分析揭示了CeO2及其镍掺杂样品的晶格结构和晶粒尺寸，表明镍的掺杂会导致晶格收缩和氧空位的形成。拉曼光谱和FTIR分析进一步确认了氧空位的浓度变化，其中3M%镍掺杂的CeO2样品表现出最高的氧空位浓度。FESEM图像显示了材料的表面形貌，镍掺杂样品的粒径减小，呈现出更均匀的球形结构，这有助于提高活性位点的密度和离子迁移效率。BET分析则提供了材料的比表面积、孔径和孔体积等关键参数，显示出镍掺杂对材料孔结构的优化作用，从而提升了其催化性能。

水力电极的工作原理基于水分子在电极表面的吸附和分解过程。在湿润条件下，水分子被吸附到电极表面并分解为H3O+和OH?离子。这些离子在电极间迁移，通过氧化还原反应产生电流。其中，银电极作为阴极，释放氢气；锌电极作为阳极，形成氢氧化锌。研究团队通过实验验证了这一过程，并发现镍掺杂显著提升了电流输出。在3M%镍掺杂的CeO2电极中，短路电流达到40 mA，比纯CeO2提升了4倍，这表明镍掺杂在水分子分解中发挥了关键作用。

研究还探讨了水力电极在不同条件下的电化学行为。EIS分析显示，湿润条件下电极的阻抗显著降低，这与水分子的吸附和离子迁移有关。在干燥状态下，纯CeO2电极表现出较高的晶界电阻和电荷转移电阻，这限制了其性能。然而，镍掺杂的CeO2电极在湿润条件下表现出更低的阻抗，特别是在3M%镍掺杂的样品中，阻抗仅为16 Ω，这表明其在离子传输和电荷转移方面具有显著优势。此外，镍掺杂还改善了材料的表面特性，使其在水分子吸附和分解过程中更加高效。

研究结果表明，3M%镍掺杂的CeO2纳米颗粒在水力电极中表现最佳。其比表面积、孔径和孔体积均达到最优，同时氧空位浓度最高，这为水分子的吸附和分解提供了更多活性位点。此外，镍掺杂还优化了材料的晶粒尺寸和晶格结构，使其在离子迁移过程中更加顺畅。相比之下，5M%镍掺杂的样品由于镍含量超过晶格溶解度，导致部分镍离子占据晶格间隙或分布在晶界，从而影响了氧空位的形成和离子传输效率。

在实际应用方面，水力电极具有广泛的前景。其无需外部电源即可运行，且在常温下即可实现水分子的分解，这使其成为一种理想的绿色能源解决方案。此外，水力电极还能同时生成氢气，这为氢能源的开发提供了新的思路。然而，为了实现大规模应用，还需要进一步优化材料的掺杂比例和电极结构，以提高电流和电压输出。同时，研究团队也计划进行长期稳定性测试和可扩展性评估，以确保水力电极在实际环境中的可靠性和耐用性。

本研究的发现为未来开发高效、可持续的水力电极提供了重要的理论和实验基础。通过调控镍的掺杂比例，可以显著提升材料的性能，使其在水分子分解过程中表现出更高的效率。这些成果不仅有助于推动清洁能源技术的发展，也为应对全球能源危机和环境问题提供了新的方向。未来的工作将继续探索更优的掺杂策略和电极设计，以进一步提升水力电极的性能，并评估其在实际应用中的可行性。