稀土钴多元化合物结构调控及其催化性能研究
摘要
近年来，人们对能源需求不断增大，化石能源的过量使用导致能源日益枯竭以及
温室气体的大量排放，造成了一系列的环境及气候问题，发展新能源及减少碳排放迫
在眉睫。电解水制氢与将二氧化碳还原为高附加值化学品被认为是解决能源危机和气
候变暖的重要途径，而该反应的实质即为析氢反应(HER)、析氧反应(OER)与二氧化
碳的还原(CRR)。目前，开发成本低廉且高效的催化剂是电解水制氢与二氧化碳还原
推广的关键。基于开发高效、廉价的OER、CRR催化剂的目的，本文采用低维调控
和多元掺杂的手段，通过油胺法制备具有二维层状结构的稀土化合物，控制稀土元素
掺杂的数量对催化剂的结构和带隙进行调控，再通过钴元素的负载调控催化剂的性能。
此外，本文还采用煅烧法制备具有三维孔道结构的铝硅氧载体，通过浸渍-煅烧法对
载体进行钴元素与稀土元素的掺杂，以此改善催化剂的性能。
其中，对于二维钴掺杂多元稀土化合物的合成与性能表征部分，首先通过油胺法
成功制备了具备二维层状结构的稀土化合物铽氧溴(TbOBr)，并用同样的方法合成了
二元(TbEuOBr)、五元(ReOBr-5)、九元(ReOBr-9)的稀土化合物。结果表明，稀土元
素数量的增加调控了催化剂的OER性能，其中ReOBr-9具备最低的塔菲尔斜率与转
移电阻。通过增加稀土元素的数量调控了二维载体的带隙，由4.38eV减小为2.57
eV。制备的ReOBr-9能够进行光催化CRR并选择性高地产生乙醛，且通过钴元素的
负载，催化剂的催化性能得到改善。当ReOBr-9同时负载钴镍元素时，催化剂的
CRR性能相较载体提升了约30倍，成效显著。
对于三维钴掺杂多元稀土化合物的合成与性能表征部分，通过煅烧法成功制备了
三种具备三维孔道结构的铝硅氧载体，使用性能较好的载体(LiAlSiO-2)通过浸渍-
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煅烧法成功制备了钴掺杂的三维催化剂，再通过相同方法制备了掺杂二元稀土(LiAl
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SiO-CoNdCe)与三元稀土的催化剂。结果表明，钴元素的掺杂改善了三维催化剂的
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OER性能，且随着稀土元素Nd、Ce的掺杂，催化剂的性能进一步提升。通过多元掺
杂完成了对三维催化剂带隙的调控，由3.46eV减小至2.33eV。LiAlSiO-2本身
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便具备一定的光催化CRR活性，可选择性高地生成乙醛。通过钴元素的掺杂，催化
剂的CRR性能提升为原来的3.6倍。
关键词：低维调控；多元掺杂；析氧反应；二氧化碳还原反应
稀土钴多元化合物结构调控及其催化性能研究
Abstract
Inrecentyears,peoplesdemandforenergyhasbeenincreasing.Theexcessiveuseof
fossilenergyhasledtothedepletionofenergyandthemassiveemissionofgreenhouse
gases,resultinginaseriesofenvironmentalandclimateproblems.Thedevelopmentofnew
energyandthereductionofcarbonemissionsareimminent.Hydrogenprodu