铕离子掺杂三氧化钼纳米结构用于新兴光伏与光催化应用

《Applied Research》：Development of Eu3+ Doped MoO3 Nanostructures for Emerging Photovoltaic and Photocatalytic Applications

　　

将Eu引入宿主晶格可调控其电子结构，从而提升异质结太阳能电池与水净化技术的功率转换效率。所制备纳米材料经XRD、SEM-EDX、TEM、XPS与FT-IR等多种光谱技术表征。XRD证实Eu-MoO3纳米颗粒呈正交晶系；XPS确认Eu3+成功进入晶格，并给出Mo6+/Mo5+与Eu3+/Eu2+价态及由绿色燃烧诱导的氧空位浓度。日光下，Eu-MoO3对RhB染料的降解动力学优于未掺杂MoO3，归因为Eu3+掺杂能级促进电荷分离；165 min后未掺杂与Eu-MoO3降解率分别为83%与95%。研究人员将材料用于DSSC（Dye-Sensitized Solar Cell，染料敏化太阳能电池）并在太阳模拟器下做J-V分析：Eu3+器件VOC为0.687 V，高于宿主MoO3的0.652 V；JSC由4.0 mA/cm2升至4.664 mA/cm2；PCE（Power Conversion Efficiency，功率转换效率）由0.85%提升至1.11%。该研究为调控纳米材料电子性质以服务高效光催化与光伏应用提供依据。

论文《Development of Eu³⁺ Doped MoO₃ Nanostructures for Emerging Photovoltaic and Photocatalytic Applications》发表在《Applied Research》。研究背景方面，纳米材料因高比表面积在电子、环境、能源领域受关注；MoO₃（三氧化钼）是重要半导体宿主，但金属氧化物光催化常受比表面积不足、电荷转移阻力大、载流子复合快限制。稀土掺杂可调制能带，但传统溶胶-凝胶、水热、化学沉淀能耗高且有有害副产物。因此研究人员采用印楝（Azadirachta indica）叶粉作还原剂与封端剂的绿色燃烧法，制备Eu³⁺掺杂MoO₃纳米结构，用于光伏器件与RhB光催化降解，以兼顾可持续性与性能提升。

主要关键技术方法上，研究人员使用印楝叶粉为生物燃料的绿色燃烧合成法制备宿主与Eu-MoO₃纳米材料；以XRD（X-Ray Diffraction，X射线衍射）、SEM-EDX（Scanning Electron Microscopy–Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy，扫描电镜-能谱）、TEM（Transmission Electron Microscopy，透射电镜）、XPS（X-Ray Photoelectron Spectroscopy，X射线光电子能谱）、FT-IR（Fourier-Transform Infrared，傅里叶红外）做结构、形貌、元素与键合表征；用UV-Vis DRS（Diffuse Reflectance Spectroscopy，漫反射）获带隙；以RhB为模型污染物在日光下降解评价光催化；以ZnO/Eu-MoO₃双层光阳极组装DSSC，在100 mW/cm²太阳模拟器下测J-V，并用EIS（Electrochemical Impedance Spectroscopy，电化学阻抗谱）分析电荷传输。

3.1 PXRD Investigation：XRD显示样品为正交相MoO₃，Eu³⁺因离子半径大于Mo⁶⁺引起晶格膨胀与峰移；(021)峰由27.8°移至28°，平均晶粒尺寸由约32 nm降至23 nm，位错密度与微应变增大。

3.2 SEM-EDX Studies：SEM显示未掺杂样多孔富空隙，Eu掺杂后形貌转为较规整颗粒、孔隙减少；EDX确认Eu、Mo、O共存，证明Eu进入晶格。

3.3 TEM Study：TEM与HRTEM显示Eu-MoO₃粒径减小、呈正交结构，晶面间距0.27 nm对应(110)面，SAED表明高结晶性。

3.4 XPS Studies：XPS宽谱只有Mo、O、Eu；Eu 3d峰证Eu³⁺；Mo 3d峰证Mo⁶⁺；O 1s在531.5 eV峰暗示表面吸附氧与氧空位缺陷，异价取代造成晶格畸变。

3.5 FT-IR Spectroscopy：FT-IR中842 cm^-1为Mo–O伸缩，617 cm^-1为Eu–O伸缩，1231与1323 cm^-1为Mo–O–Eu桥联振动，说明Eu在原子级整合入宿主而非独立相。

3.6 DRS Analysis：DRS与Tauc图给出未掺杂MoO₃带隙3.1 eV，Eu-MoO₃为2.9 eV；Eu的4f局域态使禁带中出现中间能级，拓宽可见光响应。

3.7 Fabrication of DSSCs：研究人员以FTO为基底，先旋涂ZnO层，再用刮刀涂布MoO₃/Eu-MoO₃层，浸N719染料20 h，铂对电极经400°C烧结，注入氧化还原电解质，活性面积约0.25 cm²。

3.8 J-V Characterization of DSSCs：J-V结果显示Eu-DSSC的J_SC=4.664 mA/cm²、V_OC=0.687 V、FF=34.72%、PCE=1.11%；未掺杂为4.0 mA/cm²、0.652 V、32.64%、0.85%。EIS中Eu-MoO₃电荷转移电阻R_ct=138 Ω，低于未掺杂250 Ω，说明界面电荷转移与复合被改善。

3.9 Photocatalytic Performance：日光165 min下Eu-MoO₃降解RhB达95%，未掺杂83%；拟一级动力学中Eu样R²=0.9631，半衰期由76 min缩至65 min；五循环后仍93.5%。淬灭实验表明h⁺为主活性物种，O₂^-与OH^-为辅；回收样XRD无显著变化。COD由374 mg/L降至48.5 mg/L，证明确有矿化。

3.10 Photo-Degradation Mechanism：机制上，光照使电子由价带跃迁至导带，Eu³⁺作电子陷阱暂态形成Eu²⁺，再把电子给吸附O₂生成O₂^-，同时h⁺生成OH^-等活性种，破坏RhB发色团并矿化。

讨论部分总结：研究人员指出Eu³⁺掺杂通过引入4f中间能级、氧空位与异价取代应力，抑制e^-–h⁺复合、降低R_ct、提升光吸收与界面传输，从而同时改善DSSC与光催化；绿色印楝燃烧法兼具相选择暴露与低生态足迹，不同于传统路线。与其他稀土或过渡金属掺杂体系相比，该工作PCE仍较低，但证明了Eu-MoO₃在环境与能源双场景的潜力。

结论部分翻译：采用印楝叶提取物作生物燃料与封端剂的绿色燃烧法合成Eu³⁺掺杂MoO₃纳米颗粒。XRD确认样品为清晰正交相，未掺杂与Eu-MoO₃平均晶粒约32 nm与27 nm。TEM确认Eu³⁺及Mo⁶⁺/Mo⁵⁺、Eu³⁺/Eu²⁺价态存在于基质中；绿色溶液燃烧产生富孔结构，SEM-EDX给出元素信息。日光165 min下Eu-MoO₃与宿主对RhB降解率为95%与83%，增强动力学来自Eu³⁺介导的高效电荷分离并符合拟一级动力学。DSSC的J-V分析显示Eu³⁺器件V_OC=0.687 V高于宿主0.652 V，J_SC由4.0升至4.664 mA/cm²，PCE由0.85%增至1.11%。本研究为调控纳米材料电子性质以服务高效光催化与光伏应用提供了有价值见解。