Y2O3/MWCNT纳米复合材料的合成及其双功能电化学性能在超级电容器和水分解应用中的研究

《Solid State Communications》：Synthesis and bifunctional electrochemical performance of Y 2O 3/MWCNT nanocomposites for supercapacitor and water splitting applications

通过水热法合成的Y?O?/MWCNT纳米复合材料，在缺陷工程作用下实现超低电荷转移电阻（38Ω），比电容达464 F/g，兼具优异稳定性和双功能（OER/HER）。XRD、FTIR、HR-TEM及FESEM表征确认其晶相纯度、复合结构及纳米管形貌。

　　

Bonisha Britto | Rajakumari Rajaram

物理系研究生及研究部门，玛丽女王学院（自治），马德拉斯大学，金奈，600 004，泰米尔纳德邦，印度

摘要

随着全球能源需求的不断增长，迫切需要替代的可持续材料用于能源转换和储存。本文介绍了一种水热合成的Y₂O₃/MWCNT纳米复合材料（最优配比为Y₂O₃/MWCNTs-2），该材料通过缺陷工程实现了稀土元素的协同作用，适用于超级电容器和水分解应用。其具有创纪录的低内阻R_CT（38 Ω）、464 F g^?1的比电容以及97%的电容保持率，这些性能使其优于传统的TMO/CNT复合材料，同时具备卓越的稳定性和双功能特性。通过XRD结构分析验证了材料的结晶度和相纯度；FTIR光谱确认了复合材料的有效生成，显示出与碳和Y₂O₃相关的振动谱带；HR-TEM分析进一步证实了纳米复合材料的结构完整性，提供了关于管状结构、晶格条纹和SAED图案的详细信息；FESEM图像显示了管状形态的完好保存。

通过电化学测试评估了该材料的电容和催化性能。结果表明，Y₂O₃/MWCNTs-2在电催化反应中表现出优异的双功能特性：氧 evolution 反应（OER）的过电位仅为70 mV，氢 evolution 反应（HER）的过电位为437 mV。这些发现表明该材料具有双重用途，使其成为下一代氢生产和能量储存设备的有力候选者。

引言

随着电子设备和电动汽车需求的增加，能源存储与转换技术也在快速发展。超级电容器（也称为电化学电容器）因具有更高的循环稳定性和安全性而受到广泛关注，这使得它们能够实现超高功率密度。最近，基于电池型材料的改进型超级电容器被研究用于电子领域的高功率应用。

尽管超级电容器的能量密度低于可充电电池，但在实际应用中具有显著优势。表面积、孔隙率、渗透性、化学性质（如导电性、表面反应活性）和离子扩散速率都对超级电容器的容量有重要影响。

另一方面，水电解是一种环保的氢生产方法，能够安全有效地生成纯氢。水分解是一个电化学过程，包括阴极的HER和阳极的OER两个半反应。商用电解器使用的电池电压为1.8–2.0 V，高于理论最低值1.23 V。尽管水电解在生成高纯度氢方面非常有效，但尚未在大规模氢生产中得到广泛应用。为了实际应用，HER和OER催化剂需要满足两个基本要求：在低过电位下允许高电流密度，并在操作条件下保持长期稳定性。

由于碳纳米管（CNTs）出色的机械、电学和结构特性，相关研究十分丰富。石墨片被卷曲成管状结构，形成单壁SWCNT或多壁MWCNT。CNTs作为可极化电极具有低电阻、大表面积和纳米级尺寸等优点，使其成为OER和HER应用中的理想催化剂载体。

与易溶解和电容衰减的传统过渡金属氧化物不同，Y₂O₃/MWCNT纳米复合材料利用稀土氧化物的独特优势，实现了超级电容器和水分解的双重功能：较大的Y³⁺离子半径（1.019 ?）可引起晶格应变，增强离子容纳能力；富含氧空位的表面提供了伪电容氧化还原位点，优化了?O/?OH结合，从而实现HER/OER的双功能催化；宽带隙（5.6 eV）的Y₂O₃与导电MWCNTs结合，形成了分层电荷传输路径，提高了反应速率和电容保持率（94%），优于MnO₂/CNT或NiO/石墨烯复合材料。

Y₂O₃因其高硬度、化学稳定性和独特的光电特性而在能源系统中得到广泛应用，其巨大的带隙、高折射率和出色的热稳定性进一步提升了其性能。纳米结构化处理进一步增加了表面积和电化学活性，使其成为混合能源存储系统中的理想组分。

研究还表明，Y₂O₃显著提升了光催化和电催化系统的性能，通过增强电荷分离、表面稳定性和离子导电性，提高了光电解水分解的效率。与半导体或过渡金属氧化物结合使用时，Y₂O₃可显著提高整体效率，使其成为开发可持续氢能的关键组分。

在本研究中，采用水热法合成了氧化钇-碳纳米复合材料。通过XRD、FESEM、HR-TEM和FTIR对水热制备的Y₂O₃/MWCNTs纳米复合材料进行了表征，并将其应用于超级电容器和水分解实验。该材料的新颖之处在于发现了最佳的Y₂O₃负载量，实现了前所未有的电荷转移动力学（R_CT ≈ 38 Ω，而大多数TMO/CNT复合材料的R_CT超过100 Ω）。这种性能提升源于Y³⁺空位介导的电荷传输路径，实现了EDLC和伪电容行为的协同作用，这是稀土氧化物-CNT系统中首次观察到的。

材料

所用化学品均从SRL化学品公司购买，无需进一步纯化：六水合硝酸钇 [Y(NO₃)₃·6H₂O]（99.9%）、多壁碳纳米管（99.9%）、氢氧化钾（KOH）（99.9%）、氢氧化钠（NaOH）（99.9%）和蒸馏水。

Y₂O₃/MWCNTs的合成

将Y(NO₃)₃·6H₂O（7.6 g用于1.0 M浓度，3.8 g用于0.5 M浓度）分别溶解在20 mL蒸馏水中，制备含Y³⁺离子的均匀水溶液。溶液经磁力搅拌后...

Y₂O₃/MWCNTs的XRD分析

图1a展示了原始CNTs（CNT P）、Y₂O₃/MWCNTs-1和Y₂O₃/MWCNTs-2的XRD图谱。CNT P在约26°、43°和44°处显示出宽峰，对应于石墨碳的（002）、（100）和（101）晶面（ICDD卡片编号26–1080）。这些宽峰表明多壁碳纳米管存在层状堆叠和结构无序现象。

Y₂O₃的加入显著改变了MWCNT基体的结构...

结论

本研究成功合成了Y₂O₃/MWCNTs纳米复合材料，并对其结构、形态和电化学性能进行了详细分析。XRD验证了材料的立方晶体结构；FESEM图像显示多壁管状结构得到良好保持，平均管径在25至67 nm之间；HR-TEM和SAED分析进一步确认了纳米结构。

CRediT作者贡献声明

Bonisha Britto：负责撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析及概念框架构建。

Rajakumari Rajaram：负责审稿与编辑、结果验证、实验监督及资源协调。

资助

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢玛丽女王学院（自治）、金奈SAIF、IITM、安娜大学纳米技术研究中心、SRM科学技术学院、Bharat Ratna Prof. CNR Rao研究中心、Avinashilingam妇女科学与高等教育学院等机构提供的各种表征设备支持。