氨气氛围热分解CeCO3 OH制备氮掺杂氧化铈及其高效光催化性能研究

　　针对CeO2 光催化剂带隙宽、载流子迁移率低等问题，研究人员通过氨气氛围热分解CeCO3 OH前驱体，开发出氮掺杂氧化铈（N-doped ceria）新方法。所得材料具有高氮掺杂量（68.35% TC降解率）和氧空位浓度（45.74 μmol·h-1 ·g-1 产氢速率），揭示了h+ /e- 在光催化中的关键作用，为高性能铈基催化剂设计提供了新思路。

　　

论文解读

稀土材料氧化铈(CeO₂
)因其独特的氧化还原性能，在催化、能源和医疗领域备受瞩目。然而，这块"明星材料"却始终被三大缺陷困扰：宽禁带结构像一道高墙阻挡了太阳光的有效利用，光生载流子如同堵车般难以自由移动，而电子-空穴对又像短暂相遇的恋人极易复合。这些瓶颈严重限制了其在光催化领域的应用。更令人遗憾的是，现有氮掺杂技术多采用"事后修饰"策略——先合成CeO₂
再进行掺杂，就像给建好的房子硬塞新管道，不仅效率低下，还难以实现均匀掺杂。

面对这些挑战，来自贵州大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了前驱体工程。他们发现CeCO₃
OH在热分解时会经历化学键断裂与重建的"分子级地震"，这为氮原子掺入晶格提供了绝佳时机。就像在面团发酵时加入葡萄干，远比烤好面包再硬塞果仁要容易得多。研究人员通过精确调控氨气(NH₃
)氛围，成功制备出氮掺杂量创纪录的CeCO₃
OH-NH₃
材料，其光催化降解四环素(TC)效率达68.35%，产氢速率飙升至45.74 μmol·h^-1
·g^-1
，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究团队运用三大关键技术：水热法合成球形CeCO₃
OH前驱体，通过表面氧化制备核壳结构CeCO₃
OH@CeO₂
，并在不同气氛（空气/N₂
/NH₃
）中完成热分解掺杂。X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)等技术揭示了材料的结构演变与缺陷工程机制。

相结构与形貌
XRD分析证实前驱体为六方相CeCO₃
OH，热解后均转化为立方相CeO₂
。有趣的是，CeCO₃
OH-NH₃
样品展现出最显著的晶格畸变，这为氮原子占据氧空位提供了直接证据。

光催化性能
在模拟太阳光下，CeCO₃
OH-NH₃
对TC的降解率比传统N₂
气氛掺杂样品提高近30%。自由基捕获实验揭示其奥秘：光生空穴(h⁺
)和电子(e^-
)像精准的手术刀，协同切断TC分子的关键化学键。

产氢性能
氨气氛围掺杂样品的产氢速率达到45.74 μmol·h^-1
·g^-1
，是未掺杂样品的3.2倍。研究人员发现氮掺杂不仅拓宽了光响应范围，更如同在材料中修建了"电子高速公路"，大幅提升载流子分离效率。

这项研究颠覆了传统氮掺杂策略，提出"前驱体原位掺杂"新范式。就像在陶瓷烧制时控制窑变，研究人员巧妙利用CeCO₃
OH分解时的结构重构窗口，实现了氮原子在体相和表面的均匀分布。特别值得注意的是，氨气不仅作为氮源，更扮演着"还原剂"和"造孔剂"的多重角色，协同提升材料性能。该工作为稀土催化材料设计提供了新思路，未来有望应用于环境修复和清洁能源领域。正如审稿人所言："这项研究将改变人们对铈基催化剂制备的认知，就像发现石墨烯的剥离方法一样具有范式意义。"