基于铈的材料的缺陷工程以实现高效电催化反应

《Journal of Responsible Technology》：Defect engineering of ceria-based materials toward efficient electrocatalysis reaction

氧空位调控的CeO?基材料缺陷工程及其电催化应用研究综述。本文系统总结了CeO?纳米材料缺陷类型（氧空位、间隙原子等）对氧析出反应（OER）催化性能的影响机制，重点分析了合成工艺（预合成缺陷、热处理调控）与后修饰技术（离子注入、缺陷修复）对材料氧存储能力（OSC）和结构稳定性的提升作用，并探讨了碱性环境下CeO?机械稳定性与缺陷稳定性的协同效应。

　　

刘博涛|戴桂瑶|侯书军|王焕丽|连电星|陈茂阳|李晨曦|张伟伟|吴凯|邢立文|季永军

北京工商大学轻工科学与工程学院，中国北京100048

摘要：

氧化铈（CeO₂）因其优异的物理化学性质（包括特殊的氧化还原性能、大量的氧空位以及高的储氧能力（OSC）而在过去几十年中引起了广泛的研究兴趣，尤其是在电催化应用领域。这种广泛的应用性主要源于其在表面形成和修复氧空位的便利性。本文综述了与基于氧化铈的纳米材料缺陷改性相关的新进展，涵盖了氧空位在氧化铈中的基本特性、先进的表征方法以及理解缺陷性质和预测其对电催化行为影响的新理论方法。为了展示缺陷效应的重要性，本文还探讨了与基于氧化铈的催化剂中的缺陷工程相关的电化学应用。最后，讨论了控制缺陷所面临的一些潜在挑战和未来的研究方向。我们希望这篇综述能够增进人们对缺陷在决定基于氧化铈的材料电催化性能中所起作用的理解。

章节摘录

引言

电催化是工业领域的核心科学之一，在制造精细化学品、减少污染物排放以及高效利用石化资源方面发挥着至关重要的作用。因此，先进的电催化工艺预计将对可持续的未来产生积极影响。电催化中的关键任务是开发高效催化剂，因为大多数化学反应在没有催化剂的情况下无法进行。

缺陷的基本概念分类

基于氧化铈的材料中的缺陷类型对其催化活性的改性能产生重要影响，因此在讨论缺陷工程之前，首先需要对基于氧化铈的材料中的缺陷基本概念进行分类。原则上，金属氧化物材料中的结构缺陷可以根据空间维度分为四种主要类型：（i）点缺陷（空位、间隙原子和掺杂剂）[23]，（ii）线性缺陷（螺旋位错/边缘位错）

在基于氧化铈的材料中创建缺陷的策略

缺陷工程策略被广泛认为是调节基于氧化铈的材料物理化学性质以用于电催化应用的有效方法。因此，已经开发出多种方法来制备富含缺陷的基于氧化铈的催化剂。通常，在合成过程中创建缺陷或在预合成的基于氧化铈的材料上引入缺陷被认为是最有效的方法（见表1）。

氧演化反应（OER）

由于氧演化反应的动力学较慢，长期以来它一直被视为水裂解过程中的瓶颈。贵金属氧化物被广泛认为是高效的OER催化剂。然而，贵金属相关催化剂的高成本和有限的可用性严重阻碍了它们在实际应用中的广泛使用。因此，迫切需要寻找既高效又足够稳定的新催化剂来满足需求。

结论

氧化铈（CeO₂）具有多种结构缺陷，除了氧空位之外，对其它结构缺陷的实际研究较少。CeO₂在碱性条件下具有优异的机械稳定性和耐腐蚀性，这有助于提高其在电催化过程中的结构稳健性和耐久性。CeO₂的高表面活性源于其还原态和氧化态之间的可逆循环，从而保证了基于氧化铈的材料的缺陷稳定性。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢北京工商大学青年学者研究基金（QNJJ2022-23和RFYS2025，由K.W.提供）、北京科学技术协会青年精英科学家资助计划（BYESS2024051）、北京工商大学高级人才研究基金（19008020159，由Y.J.提供）以及Shccig-Qinling计划（SMYJY202400134C）的财政支持。