设计集成了MoTe2和石墨烯的CoTb2O4电极，用于高性能超级电容器和HER（氢还原）催化

《Micro and Nanostructures》：Designing CoTb 2O 4 electrodes integrated with MoTe 2 and graphene for high-performance supercapacitors and HER catalysis

发展兼具高能量密度、长循环寿命和优异催化活性的多功能材料对下一代能源系统至关重要。本研究通过水热法成功制备了CoTb2O4/MoTe2/Gr ternary纳米复合材料，其电极在1M KOH电解液中表现出1080 C/g的高比容量，组装的不对称超级电容器能量密度达56.93 Wh/kg，功率密度1120 W/kg，循环稳定性保持89%以上。该材料还展现出优异的HER催化性能，过电位仅186 mV。研究证实了 ternary 复合材料的协同效应，为超级电容器和HER催化剂提供了新思路。

　　在当今社会，能源问题正变得日益严峻，全球对可持续发展的关注不断加深，资源枯竭和环境污染已成为亟待解决的全球性议题。因此，开发更加高效和环保的能源存储技术显得尤为重要。电化学储能系统因其高效率和低环境影响，受到了广泛关注。其中，超级电容器作为一种重要的电化学储能装置，因其具有较高的功率密度、快速充放电速度、优异的循环稳定性和安全性，成为研究的热点。超级电容器主要分为两种类型：一种是基于电容行为的电化学赝电容器（EPCs），另一种是基于电双层效应的非法拉第电容器（EDLCs）。相比于EDLCs，EPCs在电荷存储能力方面表现出更优的性能，这得益于其材料中能够参与法拉第氧化还原反应的活性位点。

然而，尽管EPCs在电荷存储方面具有优势，它们在提升能量密度方面仍然面临挑战。为了克服这一限制，研究人员开始探索具有多种氧化还原反应特性的复合材料。这些材料不仅能够提升电容器的能量密度，还能增强其循环稳定性和充放电速率。近年来，二元金属硫化物，如NiCo?S?、MnCo?S?、CuCo?S?、ZnCo?S?和FeCo?S?等，被广泛研究，它们具有较高的电导率、丰富的氧化还原位点和多种氧化态，这使得它们在超级电容器应用中表现出色。尽管如此，这些二元材料在提升电导率和循环稳定性方面仍存在局限性，限制了其在实际应用中的潜力。

因此，研究者们开始关注三元纳米复合材料的开发，这类材料能够通过协同效应进一步提升超级电容器的性能。三元复合材料通常由金属氧化物、导电聚合物和其他导电材料组成，如石墨烯。与单独使用这些材料相比，三元复合材料能够显著提升电化学性能，包括更高的比电容、更长的循环寿命和更优的电荷存储能力。例如，Zamiri等人通过简单的水热法合成了一种三元纳米复合材料（3DG-SnO?-TiO?），其比电容达到232.7 C/g，能量密度为28.6 Wh/kg，并且在5000次循环后仍能保持约97%的容量，显示出良好的循环稳定性。同样，Fang等人通过水热硫化法合成的CuCo?S?@rGO纳米复合材料在1 M KOH电解液中表现出410 F/g的比电容，并且在10,000次循环后仍能保持98%的容量保留率，这表明其具有出色的速率容量和循环性能。

在本文中，研究者们通过水热法合成了一种新型的三元纳米复合材料CoTb?O?/MoTe?/Gr。这种复合材料结合了石墨烯、二硫化钼（MoTe?）和钴铽氧化物（CoTb?O?），通过优化其结构和组成，实现了更高效的电荷存储和传输。CoTb?O?是一种具有多种氧化态的稀土过渡金属氧化物，能够提供丰富的氧化还原活性位点；MoTe?则因其高电导率、丰富的电化学活性位点和层状结构，有助于离子和电子的快速传输；而石墨烯作为基底材料，不仅具有极高的比表面积，还能提供良好的导电性和结构稳定性。这种三元复合材料的协同效应显著提升了其电化学性能，使其在超级电容器和氢气析出反应（HER）中表现出色。

为了验证这种复合材料的性能，研究者们进行了系统的电化学测试，包括循环伏安法（CV）、恒流充放电法（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）。在CV测试中，CoTb?O?/MoTe?/Gr复合材料表现出更高的比电容和优异的电化学稳定性，其在不同扫描速率下的CV曲线形状保持一致，说明其具有良好的可逆性和高效率。而在GCD测试中，该复合材料在2.0-2.8 A/g的电流密度下展现出更高的比电容，达到1086 C/g，并且在4000次充放电循环后仍能保持89%的初始容量，显示出出色的循环稳定性。此外，EIS测试进一步表明，该复合材料具有较低的串联电阻和较小的电荷转移电阻，说明其具有优异的导电性和电荷传输能力。

除了能量存储性能，CoTb?O?/MoTe?/Gr复合材料还展现出良好的电催化活性，特别是在HER中。通过线性扫描伏安法（LSV）和塔菲尔曲线（Tafel plot）的测试，研究者们发现该复合材料在10 mA/cm2的电流密度下仅需186 mV的过电位，且塔菲尔斜率仅为53.6 mV/dec，表明其具有高效的电催化性能。这些结果进一步验证了该复合材料在HER中的应用潜力。

在实际应用中，研究者们还构建了一种非对称超级电容器（ASC），其中正极采用CoTb?O?/MoTe?/Gr复合材料，负极则使用商业化的活性炭。这种ASC装置在1120 W/kg的功率密度下实现了56.93 Wh/kg的高能量密度，并且在4000次充放电循环后仍能保持89%的初始容量，显示出极高的稳定性和寿命。这些性能使得CoTb?O?/MoTe?/Gr复合材料成为未来高能量密度超级电容器的理想选择。

此外，为了确保材料在长期电化学操作中的结构稳定性，研究者们还通过电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES）对电解液中的元素浓度进行了分析。结果表明，Co、Tb、Mo和Te等元素在电解液中几乎没有被溶解，这说明该复合材料在长期使用中能够保持结构的完整性，进一步提升了其在实际应用中的可靠性。

总的来说，CoTb?O?/MoTe?/Gr三元纳米复合材料在能量存储和电催化方面表现出卓越的性能，这得益于其独特的结构和成分的协同效应。通过水热法合成，该材料不仅具有高比电容和良好的循环稳定性，还能够有效提升HER的催化活性。这些特性使其在未来的可再生能源存储和电催化应用中具有巨大的潜力。研究结果表明，这种新型复合材料有望成为高性能超级电容器和电催化剂的重要候选材料。