锌掺杂赤铁矿纳米颗粒的煅烧温度调控及其在电化学性能优化中的应用研究

为解决赤铁矿(α-Fe2O3)导电性差和电荷复合快的问题，研究人员通过锌掺杂和700-900℃煅烧制备ZFO纳米颗粒，发现高温(900℃)处理的SPC-ZFO电极具有最佳电流响应(300mA)和电子迁移率(k0=1.13cm/s)，为能源存储和环境修复材料开发提供新思路。

　　

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，但其固有的低导电性和快速电子-空穴复合严重制约了实际应用效率。传统改性方法如金属掺杂虽能部分改善性能，但如何通过精确控制合成条件实现材料性能的定向优化，仍是当前研究的难点。

North-West University的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，创新性地采用锌掺杂结合梯度煅烧温度(700/800/900℃)的策略，系统探究了Zn-Fe-O(ZFO)纳米材料的结构-性能关系。通过X射线衍射(XRD)和威廉姆森-霍尔(WH)模型分析晶体结构，结合紫外-可见光谱(UV-vis)测定能带间隙，并采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)评估电化学性能，揭示了温度对材料性能的调控机制。

3.1 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)，Zn²⁺掺杂导致(104)和(113)晶面衍射峰向高角度偏移。通过Scherrer方程和WH模型计算发现，900℃煅烧样品晶粒尺寸最大(26nm)，位错密度最低(2.77×10^-3nm^-2)，晶格应变减少至5.57×10^-3，表明高温促进晶体缺陷修复。

3.2 光学特性
UV-vis显示煅烧温度升高使吸收边红移，带隙能从700℃的2.27eV降至900℃的2.13eV。Tauc曲线分析表明，Zn掺杂在氧价带附近引入受主能级，价带电位从42.733eV(700℃)降至42.663eV(900℃)，有利于电荷分离。

3.3 形貌演变
SEM/TEM显示700℃样品呈不规则立方体状，900℃时转变为明显棒状结构，长度增加约300%。这种各向异性生长与高温下原子迁移率增强相关，棒状结构提供了更高效的电子传输路径。

3.5 电化学性能
CV测试表明SPC-ZFO@900电极的阳极电流响应(300mA)是裸电极的2倍，I_pa/I_pc≈1证实[Fe(CN)₆]^3-/4-的可逆氧化还原过程。EIS拟合数据显示900℃样品的电荷转移电阻(R_ct)最低(0.67kΩ)，交换电流密度(j₀)最高(0.547mA/cm²)，异相速率常数(k⁰)达1.13cm/s，证实高温处理显著提升界面电荷传输效率。

该研究通过多尺度表征揭示了煅烧温度对Zn-Fe-O材料性能的协同调控机制：高温不仅促进晶粒生长和缺陷修复，还通过改变Zn²⁺的电子调控作用优化能带结构。特别是900℃处理的ZFO@900样品展现出最佳的电荷分离和传输性能，这为设计高效能量转换材料提供了重要参考。团队提出的"温度-形貌-性能"关联模型，对开发新一代环境修复催化剂和能源存储器件具有指导意义，未来可拓展至其他过渡金属掺杂体系的研究。