综述：光催化水分解革命：轻稀土元素（LREEs）在光电化学与电化学进展中的作用

这篇综述系统探讨了轻稀土元素（LREEs：Sm、La、Nd、Ce、Pr）在光电化学（PEC）和电化学（EC）水分解中的关键作用，重点分析了其独特的4f电子构型对电荷传输、光吸收及催化稳定性的调控机制，并提出了绿色回收策略以支持联合国可持续发展目标（SDGs）。

　　

理论背景：水分解与LREEs的崛起

在能源危机与气候变化的双重压力下，太阳能驱动的PEC水分解技术成为氢能生产的理想选择。轻稀土元素（LREEs）因其4f电子跃迁特性（如La的4f⁰、Nd的4f³）和可调氧化还原电位，被证明能显著提升半导体（如BiVO₄、WO₃）的光电流密度。例如，Nd掺杂BiVO₄可将光电流从0.5 mA cm^?2提升至1.93 mA cm^?2，而Ce修饰的WO₃通过晶面重构使电荷转移效率从20%跃升至79%。

LREEs薄膜制备技术

从原子层沉积（ALD）到电化学沉积，多种方法被用于构建LREEs掺杂的异质结薄膜。La掺杂ZnO纳米棒通过水热法合成后，其带隙从3.29 eV降至3.17 eV，光电流翻倍至1.54 mA cm^?2。而Sm-MOF催化剂在碱性条件下HER过电位低至20.9 mV，展现了LREEs在界面工程中的潜力。

PEC与EC系统的性能突破

LREEs通过Z型/S型异质结（如Pr₂(SeO₃)₃）协同降低水分解过电位（葡萄糖氧化仅需291 mV）。全球氢能市场预计2030年达180 Mt，而LREEs的回收率不足1%，凸显了闭环供应链的紧迫性。

商业化挑战与SWOT分析

尽管LREEs可将PEC效率提升至10%以上（STH目标），但其成本与规模化生产仍是瓶颈。Nd的市场价值预计2030年达72亿美元，但中国对初级资源的垄断迫使欧美加速开发二次回收技术。

未来展望

LREEs与钙钛矿或MXenes的复合设计、4f-5d轨道耦合机制的深入研究，以及SDGs导向的绿色冶金技术，将成为下一代制氢催化剂的核心方向。