锆掺杂γ-Fe2 O3 逆尖晶石纳米催化剂的制备及其高效全水解性能研究

本研究针对贵金属催化剂成本高、铁基材料反应动力学慢的问题，通过锆掺杂γ-Fe2 O3 （Zrx Fe2-x O3 ）调控Fe2+ /Fe3+ 比例，开发出具有低过电位（OER 1.48 V，HER 192 mV@10 mA/cm2 ）的双功能电催化剂，为绿色制氢提供了高效廉价解决方案。

　　

论文解读
在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而当前96%的氢产自化石燃料重整，每生产1吨氢气伴随9-12吨CO₂
排放。电解水制氢虽清洁，但受限于贵金属催化剂（Pt/C、IrO₂
）的高成本和铁基材料（如γ-Fe₂
O₃
）的缓慢动力学，其大规模应用面临挑战。特别值得注意的是，OER过程需克服四电子转移能垒，过电位普遍高于300 mV，成为制约全水解效率的瓶颈。

针对这一难题，研究人员通过巧妙的锆掺杂策略，设计出具有逆尖晶石结构的γ-Zr_x
Fe_2-x
O₃
纳米催化剂。理论分析表明，每个Zr⁴⁺
的引入可原位还原一个Fe³⁺
为高活性Fe²⁺
，同时置换另一个Fe³⁺
维持电荷平衡。这种"一石二鸟"的设计使材料在碱性介质中展现出突破性性能：负载于3D镍泡沫的γ-Zr_0.2
Fe_1.8
O₃
仅需1.48V和192mV过电位即可驱动OER和HER达到10mA/cm²
电流密度，全水解电压低至1.80V，优于多数已报道的非贵金属催化剂。

研究采用溶热法合成系列Zr掺杂样品（x=0.07-0.27），通过XRD、TEM、XPS、穆斯堡尔谱等技术系统表征材料特性。关键发现包括：

Structural analysis
XRD与SAED证实x≤0.2时形成单一γ-Fe₂
O₃
相，Zr⁴⁺
掺杂使晶格常数从8.351?增至8.368?。TEM显示18nm均匀纳米颗粒，高分辨像中0.296nm间距对应(220)晶面。

Spectroscopic characterization
穆斯堡尔谱定量分析Fe²⁺
/Fe³⁺
比例，证实Zr掺杂使Fe²⁺
占比提升至31.4%。XPS显示Zr 3d_5/2
结合能182.3eV，表明Zr⁴⁺
成功掺入晶格。

Electrochemical performance
线性扫描伏安测试显示，最优样品在1M KOH中OER塔菲尔斜率仅49mV/dec，HER为110mV/dec。计时电位法验证其稳定性，持续20小时性能衰减<5%。

该研究创新性地通过锆掺杂工程调控铁氧化物的电子结构，解决了传统材料导电性差、活性位点不足的核心问题。特别值得注意的是，磁性测试显示Zr_0.13
Fe_1.87
O₃
饱和磁化强度达62emu/g，这种铁磁特性可能促进反应过程中的传质效率。相比文献报道的γ-Fe₂
O₃
/CNT复合物（1.61V@10mA/cm²
），本研究催化剂性能提升显著，且制备工艺简单，避免使用昂贵碳载体，具有明确的产业化前景。

这项工作为设计高效双功能电解水催化剂提供了新思路：通过高价态金属掺杂诱导低价活性中心形成，同时利用尖晶石结构的框架稳定性。未来研究可进一步探索Zr-Fe协同作用机制，以及如何通过形貌调控暴露更多活性晶面。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，对推动可再生能源制氢技术发展具有重要意义。