纳米Ce0.95M0.05O2(M=Fe, Nd, Eu)光谱特征及其催化性能研究

作者：张国芳; 胡锋; 许剑轶; 于海澍; 葛启录; 张羊换

来源：光谱学与光谱分析, 2020, 40(11): 3420-3424.

• Ce0.95M0.05O2固溶体
• 水热法
• 光谱特征
• 催化
• Mg基储氢合金

采用水热法制备纳米Ce0.95M0.05O2(M=Fe3+,Nd3+,Eu3+)固溶体,系统研究了固溶体的微观晶体结构及光谱特性。X射线衍射(XRD)结果表明,掺杂样品均为单相萤石立方结构,无对应于掺杂离子氧化物的杂相存在,说明三种掺杂离子均成功掺入CeO2晶格内而形成固溶体。计算各样品的晶粒尺寸,得到掺杂固溶体的粒度均低于20 nm。采用紫外可见光谱(UV-Vis)表征固溶体的电子跃迁性能。与纯CeO2相比,掺杂固溶体的吸收边均发生红移;同时,拟合得到各样品能隙由大到小依次为:CeO2(3.13 eV)>Ce0.95Eu0.05O2(3.04 eV)>Ce0.95Nd0.05O2(2.94 eV)>Ce0.95Fe0.05O2(2.75 eV)。荧光光谱(PL)测试表明,掺杂样品的发射峰强度均比纯CeO2低,其中Fe3+掺杂固溶体样品的荧光强度降低最为明显。其原因在于Fe3+掺杂会使固溶体晶格内引入更多缺陷,从而阻碍了电子与空穴的复合。将固溶体作为催化剂添加到Mg2Ni-Ni中,球磨制得Mg2Ni-Ni-5%Ce0.95M0.05O2复合材料,系统测试复合材料电极的电化学和动力学储氢性能。结果表明, Ce0.95M0.05O2固溶体可有效提高Mg2Ni-Ni合金复合材料的电化学放电性能,最大放电容量分别为:Ce0.95Fe0.05O2(874.8 mAh·g-1)>Ce0.95Nd0.05O2(827.8 mAh·g-1)>Ce0.95Eu0.05O2(822.7 mAh·g-1)>CeO2(764.9 mAh·g-1)。同时,催化剂还可有效提高复合材料的电化学循环稳定性,经20次循环后的容量保持率为:Ce0.95Fe0.05O2(49.8%)>Ce0.95Eu0.05O2(49.7%)>Ce0.95Nd0.05O2(46.3%)>CeO2(34.1%)。对复合材料进行高倍率放电性能(HRD)表征,掺杂固溶体催化剂能够显著提高样品的大电流放电性能,如当放电电流密度为200 mAh·g-1时,各样品的HRD为:Ce0.95Fe0.05O2(59.5%)>Ce0.95Eu0.05O2(57.4%)>Ce0.95Nd0.05O2(55.7%)>CeO2(54.4%)。采用恒电位阶跃测试催化剂对复合材料中H扩散能力的影响, H扩散系数由大到小依次为Ce0.95Fe0.05O2>Ce0.95Eu0.05O2>Ce0.95Nd0.05O2>CeO2。分析认为,固溶体的催化效果与其氧空位浓度、晶格缺陷及掺杂离子易变价特性密切相关。

• 单位
  内蒙古科技大学; 钢铁研究总院