三价稀土掺杂对氧化铈陶瓷结构、光学、电学及电化学性能的调控机制研究

本研究针对氧化铈(CeO2)材料导电性差、催化效率低等问题，通过溶胶-凝胶自燃烧法合成Gd3+/Sm3+掺杂Ce0.9RE0.1O2–δ（RE=Gd,Sm），发现掺杂后带隙降至2.60-2.71 eV，电导率提升至0.4×10–7 S/cm，比电容达345.16 F/g，为碱性介质中室温水电解提供了高效非贵金属催化剂。

　　

（论文解读）
在能源危机与环境污染的双重压力下，氢能作为清洁能源载体备受关注。传统水电解制氢依赖贵金属催化剂（如IrO₂/RuO₂），其高昂成本严重制约规模化应用。氧化铈(CeO₂)因独特的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对和氧空位缺陷，成为潜在替代材料，但本征电导率低、催化活性位点不足等瓶颈限制其实际性能。

针对这一挑战，研究人员通过溶胶-凝胶自燃烧法设计合成10 mol% Gd/Sm掺杂CeO₂（CGO/CSO），系统研究三价稀土离子(RE³⁺)对材料多维度性能的调控机制。X射线衍射(XRD)证实所有样品均形成立方萤石结构（空间群Fm3m），掺杂未引入杂相。紫外漫反射光谱(UV-DRS)显示掺杂使带隙从纯CeO₂的2.81 eV降至CGO的2.60 eV，归因于RE³⁺引入的中间能级。电化学阻抗谱(EIS)测得室温电导率提升一个数量级，CGO达0.4×10^–7 S/cm，源于Gd³⁺诱导的氧空位协同效应。

关键突破体现在电化学性能：循环伏安法(CV)显示掺杂样品阴极电流密度提升3倍，CGO在5 mV/s扫描速率下比电容(C_sp)达345.16 F/g，远高于纯CeO₂。这种增强源于三重机制：①RE³⁺掺杂增加Ce³⁺–O–Ce⁴⁺法拉第氧化还原位点；②氧空位促进OH^–吸附/脱附；③带隙降低改善电荷转移动力学。在碱性介质中，CGO表现出优异的双功能催化活性，其性能提升顺序为CE<<><>³⁺(1.05 ?)比Sm³⁺(1.08 ?)更接近Ce⁴⁺(0.97 ?)）呈现强相关性。

该研究发表于《Journal of Rare Earths》，通过精确的缺陷工程策略，首次建立稀土离子半径-氧空位浓度-电催化活性的构效关系，为设计高效非贵金属电解水催化剂提供新思路。未来可通过构建CeO₂基异质结进一步优化界面电荷传输，推动其在可再生能源转换中的实际应用。

（关键技术方法）
采用溶胶-凝胶自燃烧法合成Ce_0.9RE_0.1O_2–δ粉末，以EDTA-柠檬酸为螯合体系。通过XRD、FTIR、FESEM-EDX表征晶体结构与元素分布，UV-DRS计算光学带隙，EIS测试电导率，CV评估电容性能及OER/HER活性。

（研究结果）
Phase formation, defect structure and crystalline parameters
XRD精修显示所有样品为单相立方萤石结构，CGO晶胞参数(5.411 ?)小于CSO(5.418 ?)，符合Vegard定律。Williamson-Hall法计算表明Gd掺杂使微应变降低23%，有利于离子迁移。

Conclusions
10 mol% RE³⁺掺杂可协同优化CeO₂的带隙、电导与催化活性，其中CGO因最佳的离子半径匹配度成为性能最优的电解水催化剂，其室温比电容较纯CeO₂提升近5倍。