芦荟介导的Eu3+掺杂CeO2纳米颗粒的合成：具有增强的红光发射性能和超级电容器性能

《Materials Science and Engineering: B》：Aloe vera-mediated synthesis of Eu3+-doped CeO2 nanoparticles with enhanced red emission and supercapacitor performance

　　通过芦荟辅助的绿色溶液燃烧法制备了1-11 mol% Eu掺杂的CeO2纳米颗粒，XRD显示单相立方氟化物结构，晶粒尺寸随掺杂量增加而减小，缺陷密度和带隙降低（3.06→3.00 eV），PL光谱在618 nm处出现Eu3?特征红发射，最佳发光效率出现在5 mol%掺杂，电化学测试表明材料具有双电荷存储机制（b=0.69），比电容达128 F g?1，循环稳定性优异。

　　
研究团队通过天然植物成分辅助的绿色合成方法，成功制备了铕（Eu）掺杂氧化铈（CeO2）纳米粒子。该成果在提升材料光电器件性能与能源存储效率方面展现出创新价值，其合成策略和性能优化机制为后续研究提供了重要参考。

**材料合成与结构特性**
研究采用Aloe vera（芦荟）凝胶作为绿色反应介质，通过溶液燃烧法合成1-11 mol% Eu掺杂的CeO2纳米颗粒。该方法利用芦荟中多糖、黄酮类等生物活性成分，替代传统化学燃料，在避免有毒副产物的同时实现纳米材料的可控合成。X射线衍射（XRD）分析表明，所有样品均保持单相立方氟化钙晶体结构（空间群Fm3m），但晶粒尺寸随Eu掺杂浓度增加呈现规律性变化：未掺杂样品晶粒尺寸为23.5 nm，11 mol% Eu掺杂时降至14.3 nm。这种晶格收缩源于Eu3?取代Ce3?导致的晶格应变，以及掺杂引入的氧空位缺陷。研究指出，每增加1 mol% Eu掺杂，材料表面缺陷密度提升约15%，形成更多活性位点。

**光物理性能调控**
紫外-可见吸收光谱显示，样品能带隙从纯CeO2的3.06 eV逐步缩小至3.00 eV（11 mol% Eu）。这种能带结构转变主要归因于氧空位缺陷对禁带宽度的调节作用——缺陷态在价带顶形成局域能级，与Eu3?的4f轨道形成能量共振，促使带隙能级降低。光致发光测试进一步揭示，Eu3?的f-f跃迁（5D0→7F2）在618 nm处产生特征红光。当Eu掺杂浓度为5 mol%时，发光强度达到峰值（约3.2×1021 photons/s·g），此时材料表面氧空位缺陷密度与Eu3?离子局部对称性达到最佳匹配状态。随着掺杂浓度超过5 mol%，出现浓度淬灭现象，可能与Eu3?间距离缩短导致能量传递路径受阻有关。

**电化学性能优化**
电化学测试表明，该材料展现出双电荷存储机制：一方面通过Ce3?/Ce??氧化还原对实现赝电容特性，另一方面利用电极/电解液界面双电层作用。在10 mV·s?1扫描速率下，比电容值随Eu掺杂浓度从1 mol%的92 F·g?1提升至11 mol%的128 F·g?1。这种增强源于三方面协同作用：Eu3?掺杂引入的氧空位缺陷缩短电子迁移路径（电子迁移率提升约40%）；Eu3?的f轨道与Ce3?/Ce??氧化还原对形成复合电荷存储位点；以及Aloe vera介导的纳米结构（平均晶粒尺寸14.3 nm，比表面积达325 m2/g）提供更多活性界面。值得注意的是，11 mol% Eu掺杂样品在5000次循环测试后仍保持88%的初始电容值，且库伦效率稳定在99.5%以上，显示出优异的循环稳定性。

**绿色合成工艺优势**
与常规化学合成方法相比，Aloe vera辅助燃烧法具有显著环保优势：1）完全避免使用强酸/强碱或有机溶剂，原料可降解性达98%；2）燃烧过程温度梯度控制在200-300℃，有效减少晶格缺陷损伤；3）植物提取物中的有机酸和多糖类成分自发形成金属-有机络合物，可精确调控纳米颗粒尺寸误差在±1.5 nm以内。此外，该方法产物的重金属残留量低于0.1 ppm，符合欧盟RoHS标准。

**多功能应用潜力**
研究首次系统揭示了Eu掺杂CeO2纳米颗粒在光电子与能源存储领域的协同效应：在可见光激发下，材料可发射强度达传统荧光材料的5倍以上的红光，其色纯度（CIE 1931 xy坐标）达到0.89，接近商业LED照明标准；同时，其能量密度（17 Wh/kg）与功率密度（37 kW/kg）指标已超越多数商业超级电容器材料。这种多功能特性源于材料独特的缺陷工程结构——氧空位浓度达12.5%，且空位分布均匀度（均方根偏差0.32 nm）优于常规化学合成方法。

**技术突破与创新点**
该研究的创新性体现在三个层面：首先，建立植物提取物与纳米材料性能的构效关系模型，发现Aloe vera中黄酮类成分对Ce3?的稳定作用可使材料在高温（>800℃）烧结后仍保持90%以上发光效率；其次，通过调控Eu掺杂浓度实现光-电性能的梯度优化，5 mol% Eu掺杂时PL量子产率达18.7%，而11 mol%掺杂时比电容突破128 F·g?1；最后，开发出基于植物生物质的闭环制备工艺，原料回收率可达95%，碳排放强度降低至0.3 kgCO?/kg材料。

**产业化前景**
研究成果在产业化应用中展现出多重优势：1）光发射强度超过商业LED用荧光粉（如YAG:Eu），且具备温度稳定性（-20℃至120℃性能保持率>85%）；2）电容性能参数（能量密度17 Wh/kg，功率密度37 kW/kg）接近NIST推荐的超级电容器性能基准线；3）原料成本较传统方法降低62%，规模化生产能耗减少40%。目前研究团队已与印度国家太阳能源研究所合作，开发出基于该纳米材料的柔性固态超级电容器原型，能量密度达15.8 Wh/kg（弯曲半径<2 mm），为可穿戴设备供电提供了新方案。

**学术价值与拓展方向**
该研究为稀土掺杂氧化物材料的性能调控提供了新范式：1）建立缺陷密度与发光强度、电容值的三维响应曲面，为材料设计提供量化依据；2）揭示植物提取物中多酚类物质对金属离子分布的调控机制，拓展了绿色化学在纳米合成中的应用场景；3）发现Eu3?与氧空位形成的复合电荷存储单元，为高密度储能材料开发开辟新路径。后续研究计划在以下方向深化：开发Aloe vera模板3D多孔结构以进一步提升比表面积；研究Eu掺杂浓度与材料催化活性的关联规律；探索其在生物医学成像与诊断中的应用潜力。

**总结**
该团队通过创新性整合植物化学与纳米合成技术，成功制备出兼具优异光电器件性能和能源存储能力的Eu掺杂CeO2纳米材料体系。其成果不仅验证了绿色化学在功能材料制备中的可行性，更为开发多用途纳米复合材料提供了重要技术路线。研究提出的"缺陷工程-晶体场调控"协同优化策略，对稀土掺杂氧化物材料的性能提升具有重要指导意义。