表面氧缺陷对受抑铈掺杂氧化锆纳米颗粒光学及电荷存储性能的调控机制

本研究通过铈掺杂在受抑四方相氧化锆纳米颗粒中诱导三种不同氧空位，系统探究了其对结构、光学及电荷存储性能的调控作用。XRD和Raman证实了表面氧空位导致的受抑四方相形成，XPS揭示了Zr/Ce的4+/3+混合价态。其中CeZ2样品表现出最优异的介电常数（493@100 kHz）和电荷存储性能（152.4 F/g@1.5 A/g），循环稳定性达93.75%@1100次，为电池/超级电容器电极材料提供了新选择。

　　

研究背景与意义
在全球能源危机与人口增长的背景下，开发高效可再生能源存储技术成为研究热点。过渡金属氧化物(TMOs)因其可调控的电子结构和优异的电荷存储能力，在超级电容器、电池等领域展现出巨大潜力。氧化锆(ZrO₂)作为典型TMO，具有化学稳定性高、毒性低等优势，但其宽禁带(约5 eV)和低电导率限制了应用。已有研究表明，通过稀土元素掺杂和氧空位调控可显著改善其性能，但关于不同氧空位浓度对受抑四方相ZrO₂的多重性能协同调控机制仍不明确。

研究机构与方法
印度Bargur政府工程学院物理系R&D实验室团队采用共沉淀法合成纯ZrO₂及三种铈掺杂样品(CeZ1-CeZ3)，通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)表征晶体结构与电子态，紫外-可见光谱测定光学带隙，电化学工作站测试介电常数和比电容。

研究结果

1. 晶体结构分析
   XRD与Raman证实所有样品形成受抑四方相(p4₂/nmc空间群)，CeZ2晶格应变最小(0.28%)，稳定性最佳。

2. 电子态与光学性能
   XPS显示Zr⁴⁺/Ce³⁺混合价态，CeZ2的氧空位浓度最高。间接带隙从3.38 eV(CeZ1)降至3.23 eV(CeZ3)，归因于氧空位诱导的缺陷能级。

3. 电荷存储性能
   CeZ2介电常数达493@100 kHz，比电容152.4 F/g@1.5 A/g，1100次循环后容量保持率93.75%，优于已报道的ZrO₂基材料(95 F/g@5 mV/s)。

结论与意义
该研究首次阐明氧空位浓度梯度对受抑四方相ZrO₂的多功能调控规律：适度氧空位(CeZ2)通过优化电子传导路径和极化响应，实现介电性能与电化学存储的协同提升；而高/低氧空位样品分别适用于电陶瓷和光电器件。成果发表于《Materials Science and Engineering: B》，为设计高性能储能材料提供了新策略。