稀土基电催化剂：性能调控与机制解析助力高效电催化反应

本文系统综述了稀土（RE）基电催化剂在能源转换领域的最新进展，聚焦HER、OER、ORR、CO2RR等关键反应，揭示了RE元素通过电子结构调控（如4f轨道特性）和界面工程提升催化活性的机制，为设计低成本、高效能的非贵金属催化剂提供了理论指导与实践路径，对实现碳中和目标具有重要意义。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，开发绿色可再生能源技术成为当务之急。然而，风能、太阳能等清洁能源的间歇性特性（如季节性风力变化和昼夜光照差异）导致电网稳定性差，且电力传输过程中存在严重能量损耗。电化学能源转换技术通过将间歇性电能转化为可存储的化学能（如氢气、碳基燃料），成为解决这一难题的关键突破口。但该技术面临核心瓶颈：电催化反应（如析氢反应HER、氧还原反应ORR）存在高能垒和缓慢动力学，亟需高效催化剂驱动。传统贵金属催化剂虽性能优异，但其高昂成本和稀缺性制约了大规模应用。

在此背景下，稀土（RE）元素因其独特的4f电子构型（弱屏蔽效应和电子受体特性）和丰富的价态变化能力，成为电催化剂设计的新宠。研究人员系统探索了四类RE基材料：RE基合金通过多金属协同效应优化电子结构；RE氧化物（如CeO₂）利用氧空位增强氧化还原能力；RE-过渡金属（TM）复合物（如钙钛矿、MOFs）实现界面电子耦合；RE单原子（SAs）催化剂则最大化原子利用率。这些材料在HER、ORR、CO₂RR等反应中展现出超越传统TM催化剂的活性，例如Ce掺杂NiFe合金可将OER过电位降低至270 mV，而Er单原子催化剂使CO₂RR生成CO的法拉第效率达95%。

研究采用理论计算（密度泛函理论DFT）与实验验证相结合的策略，通过X射线吸收精细结构（XAFS）表征确认活性位点配位环境，结合电化学阻抗谱（EIS）分析界面电荷转移机制。针对不同反应体系，构建了标准化测试流程：水分解反应采用三电极体系，CO₂RR使用流动池装置，NO₃RR则通过同位素标记追踪氮转化路径。

RE基合金部分揭示，LaNi₅合金中La的4f电子调控使Ni的d带中心下移，优化H吸附自由能，使HER交换电流密度提升8倍。RE氧化物基材料研究表明，CeO₂的Ce³⁺/Ce⁴⁺循环加速氧空位生成，促进OER中OOH中间体形成。RE-TM复合物章节指出，SmCoO₃钙钛矿中Sm-O-Co界面降低ORR决速步能垒，半波电位正移90 mV。RE SAs部分证实，Gd-N₄位点通过4f-2π*轨道耦合增强CO₂吸附，实现C1产物选择性>90%。

该研究不仅阐明RE元素通过“电子缓冲器”作用（调节TM的d带中心）和“几何结构调控”（诱导晶格畸变）双重机制提升催化性能，还提出“稀土效应”定量描述模型。展望部分强调，未来需解决RE元素浸出稳定性问题，开发高通量筛选方法加速材料发现，并建立标准化活性评价体系。这项发表于《Journal of Rare Earths》的工作为设计下一代非贵金属催化剂提供了全新范式，推动电解水制氢、燃料电池等技术的商业化进程，对实现“双碳”目标具有战略意义。