煅烧温度调控钴铁氧体纳米结构的光/电催化析氢性能研究：从晶相演化到绿色能源应用

本研究针对绿色氢能生产中贵金属催化剂成本高的问题，通过溶胶-凝胶自燃烧法(SG)制备不同煅烧温度(650/750°C)的钴铁氧体(CoFe2 O4 )，系统揭示了温度对晶体结构(Fd3m空间群)、磁学性质(饱和磁化强度提升)及能带(1.72→1.45 eV)的调控机制，最终获得27.99 mmol gcat -1 /8h的优异析氢(HER)性能，为低成本催化材料设计提供新思路。

　　

随着全球对可持续能源需求的激增，氢能因其零碳排放特性成为研究热点。然而，当前氢能生产严重依赖铂等贵金属催化剂，高昂成本制约其规模化应用。钴铁氧体(CoFe₂
O₄
)作为具有反尖晶石结构的磁性材料，因其独特的d电子构型和可调控的八面体/四面体位点占据特性，在催化领域展现出替代贵金属的潜力。但现有研究多聚焦于其磁学应用，对煅烧温度这一关键制备参数如何通过微观结构影响其光/电催化性能的系统研究仍属空白。

为填补这一研究空白，来自King Saud University的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，通过溶胶-凝胶自燃烧法(SG)结合不同煅烧温度(650°C/750°C)制备CoFe₂
O₄
纳米材料，采用X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)、紫外-可见光谱等技术，首次建立煅烧温度-结构特性-催化性能的定量关系。研究发现750°C煅烧样品呈现最高反尖晶石相纯度(46.01 nm晶粒尺寸)和最低塔菲尔斜率(106.22 mV/dec)，其8小时光催化产氢量达27.99 mmol g_cat
^-1
，较未煅烧样品提升近3倍。

关键技术方法
研究采用柠檬酸辅助SG法制备前驱体，通过差热分析确定650°C/750°C两个煅烧温度点；利用Rietveld精修XRD分析晶体结构演变；场发射扫描电镜(FESEM)观察形貌变化；VSM测试磁学性能；UV-Vis结合Tauc公式计算光学带隙；标准三电极体系评估电催化HER性能；气相色谱定量光催化产氢量。

XRD研究
Rietveld精修显示所有样品均形成Fd3m空间群的尖晶石相，750°C煅烧使晶粒尺寸从30.65 nm增至46.01 nm，晶格应变降低42%，证实高温促进结晶完整性。

形貌与磁学特性
FESEM显示煅烧温度使球形颗粒聚集体尺寸从46.78 nm增至92.55 nm；VSM证实饱和磁化强度随温度升高而增加，750°C样品呈现典型铁磁回滞曲线，归因于八面体位点Co²⁺
占比提升。

光学与催化性能
带隙分析显示750°C样品带隙降至1.45 eV，光吸收边红移显著。电化学测试表明该样品具有最小电荷转移电阻(3.2 Ω)和最高电化学活性表面积(ECSA)，其光催化产氢速率达3.5 mmol g_cat
^-1
h^-1
，较650°C样品提升58%。

结论与意义
该研究首次阐明煅烧温度通过三重机制提升CoFe₂
O₄
催化性能：(1)促进Co²⁺
向八面体位点迁移形成反尖晶石结构，增加活性位点暴露；(2)降低晶格应变提升载流子迁移率；(3)窄化带隙增强可见光捕获。所获27.99 mmol产氢量创下同类无贵金属催化剂纪录，106.22 mV/dec的塔菲尔斜率接近部分铂基催化剂水平。这项工作不仅为设计低成本HER催化剂提供明确温度调控准则，更拓展了磁性纳米材料在能源领域的应用边界。