锌掺杂赤铁矿纳米颗粒的结构调控与光电化学性能优化研究

本研究针对赤铁矿(α-Fe2O3)导电性差和电荷复合快的问题，通过700-900°C梯度煅烧制备锌掺杂赤铁矿(ZFO)纳米颗粒，结合CV和EIS分析发现900°C煅烧样品具有最佳电子迁移率(R2≈0.99)和电流响应，为OER催化剂设计提供新思路。

　　

赤铁矿(α-Fe₂O₃)作为重要的半导体材料，在光催化水分解和氧析出反应(OER)中展现出巨大潜力，但其固有的低电导率和快速电子-空穴复合严重制约了实际应用。如何通过材料改性突破这些瓶颈，成为能源与环境领域的研究热点。传统掺杂策略虽能部分改善性能，但对煅烧温度与掺杂协同效应的系统研究仍存空白。

North-West University的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表创新成果，通过精确调控锌掺杂和煅烧温度(700/800/900°C)，成功制备出具有梯度结构特征的ZFO纳米颗粒。研究采用共沉淀法合成材料，结合XRD、SEM/TEM表征结构，并创新性地将材料负载于丝网印刷碳电极(SPC)上，通过循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)系统评估电化学性能。

关键实验技术：共沉淀法合成纳米颗粒，X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描/透射电镜(SEM/TEM)观察形貌，丝网印刷碳电极(SPC)修饰技术，循环伏安法(CV)测试氧化还原特性，电化学阻抗谱(EIS)评估电荷转移阻力。

结构分析：XRD显示所有样品均保持赤铁矿菱方晶系结构(R3c空间群)，锌掺杂导致(104)晶面衍射峰向高角度偏移，900°C煅烧样品晶粒尺寸最大(26nm)，位错密度最低(2.77×10^-3 nm^-2)。

光学性质：UV-Vis显示煅烧温度升高使吸收边红移，带隙从700°C的2.27eV降至900°C的2.13eV，导带电位相应提升至40.533eV。

形貌特征：SEM/TEM揭示温度诱导的形貌演变——700°C时为不规则团聚体，900°C形成规整纳米棒，各向异性生长显著。

电化学性能：CV测试显示900°C样品的阳极电流响应(300mA)是裸电极的2倍，EIS证实其电荷转移电阻(R_ct)最低(0.67kΩ)，异相电子转移速率常数(k⁰)达1.13cm/s，交换电流密度(j₀)最高(0.547mA/cm²)。

该研究首次系统阐明了煅烧温度通过影响Zn²⁺掺杂赤铁矿的晶格应变(ε)和能带结构，进而调控其电化学活性的机制。特别值得注意的是，900°C煅烧样品展现的快速电荷转移能力，使其在超级电容器和光电催化领域具有突出优势。这项工作为设计高性能过渡金属氧化物电极材料提供了重要理论依据，其提出的温度-结构-性能关联模型，对开发新一代能源转换材料具有指导意义。