由于能源需求的增長以及化石燃料對環境的負面影響，綠色可再生能源技術受到了廣泛關注[1]。開發出能夠利用高活性和穩定納米催化劑高效轉化可再生能源能量的電化學系統至關重要。其中，實現氧氣析出反應（OER）和氧氣還原反應（ORR）的可逆性和高性能是推動水分解和燃料電池技術發展的關鍵。這些反應存在動力學障礙，導致過電位較高且反應速率較慢。因此，OER過程中需要斷裂O-H鍵，而ORR過程中則需要形成O-O鍵[2,3]。因此，研究高效電催化劑對于提升這兩種關鍵反應的性能至關重要。
目前，基于貴金屬（如Ru和Ir）的材料被廣泛用于OER研究[4,5]，而含鉑（Pt）的材料在ORR中表現出最高的活性[6,7]。然而，由于貴金屬的稀缺性和高成本，其大規模應用受到限制。因此，亟需開發基于地球豐富、穩定且活性良好的電催化劑。有前景的替代品包括過渡金屬（TM）如鐵（Fe）[8]、鈷（Co）[9]、鎳（Ni）[10,11]、銅（Cu）[12]，以及異原子金屬材料[13,14,15]，因為它們在氧化還原過程中具有內在穩定性。大量研究表明，這些金屬在堿性溶液中表面會形成氧化物和氧氫氧化物，鐵的引入有助于OH?離子的嵌入，促進M(OH)? + OH? → MOH + H?O + e?等反應[2]。最新研究提示鐵可以在CoFeOOH結構中替代鈷元素，成為活性位點[16]。鈷與鐵的結合可以協同調節OH?和O?物種在金屬活性位點上的吸附行為。
另一方面，通過摻雜[17]、產生空位[18]、超聲波處理[19]或熱處理[20]等物理化學方法可以改善過渡金屬基電催化劑的性能（如活性位點數量和穩定性），從而調控電子結構[21,22]。利用稀土元素（RE）原子摻入晶體結構是另一種有效策略，可以開發新型電催化劑。稀土元素通常以R3?價態存在，但也可呈現四價（R??）或二價（R2?）氧化態。眾所周知，稀土元素的f軌道可作為電子調節劑，當f軌道與過渡金屬的d軌道耦合時，可形成d-f電子梯級結構，從而增強電荷轉移、調節關鍵中間體的化學吸附并降低能量障礙[23]。通過引入鑭（La）或鈰（Ce）等稀土元素，可以調節鈷鐵基雙金屬材料的OER和ORR性能。
在合成高性能電催化劑的過程中，控制顆粒大小和分布、活性和穩定性、形貌以及結構特性是非常重要的。例如，可以使用表面活性劑或有機化合物（如生物聚合物或胺類）來實現這些目標。針對金屬納米顆粒（如銅、鐵）的研究中，導電聚合物（如聚吡咯）被用來制備單分散顆粒，以提高催化活性[24,25]。使用油胺作為穩定劑的鈀（Pd）納米顆粒研究顯示，能夠有效控制顆粒大小并減少團聚現象，同時保持良好的氧化反應活性[26,27]。需要注意的是，合成后需從催化劑表面去除穩定劑，以避免其在反應中的干擾；熱處理是一種有效的去除方法[28]。
此外，原位技術（如線性伏安法、循環伏安法或計時安培法）對于分析極化過程中的揮發性/氣體物種的產生/消耗非常重要，有助于深入理解界面氧化還原過程，包括反應機理和選擇性轉化。差分電化學質譜（DEMS）在電催化還原CO?[29]、硝酸鹽還原[30]、氫氣生成[31]以及甲醇[32]、乙醇[33,34]或甲酸[35]等有機化合物的氧化反應中發揮了重要作用。例如，在OER過程中，通過記錄質譜儀聯用電化學反應器得到的質量電荷比（m/z）數據，可以監測分子氧（O?）或O?等物種的生成情況。這些基于稀土元素的鈷鐵納米結構改進為催化性能的提升提供了新策略，可應用于需要增強氧化還原特性的多種電催化反應，如電解槽中的氫氣生成、混合燃料電池中的有機化合物電氧化或鋅-空氣電池中的氧氣生成[36]。這些發現有助于分析新型催化劑中的電化學相互作用及其在催化表面和氧化還原界面現象中的行為。
本研究探討了通過添加稀土元素（鈰和鑭）并使用油胺（Oa）和Vulcan碳作為穩定劑和支撐劑合成的鈷鐵基材料在氧氣析出反應（OER）和氧氣還原反應（ORR）中的性能。制備了CoFe/Oa/C、CoFe/C、CoFeLa/Oa/C、CoFeLa/C、CoFeCe/Oa/C和CoFeCe/C樣品，并分別進行了有無熱處理（用于去除穩定劑）的條件下的性能評估。采用線性掃描伏安法（LSV）和電化學阻抗譜（EIS）等電化學技術進行表征，同時利用DEMS技術研究了原位氧氣生成過程。此外，通過X射線衍射（XRD）分析晶體結構，拉曼光譜和透射電子顯微鏡（TEM）分析顆粒分布、形貌和大小。X射線光電子能譜（XPS）進一步闡明了熱處理及稀土元素摻入對鈷鐵基催化劑電子結構的影響。
