《Microchemical Journal》：Facile green synthesis of La
2O
3 doped Bi
2O
3 nanomaterials for supercapacitor and overall water splitting applications
编辑推荐：
新型Bi?O?:La?O?纳米材料的绿色合成及其在超级电容器与整体水裂解中的应用研究。通过Amaranthus viridis植物提取物作为还原剂和稳定剂，采用水热法成功制备了不同浓度La?O?掺杂的Bi?O?纳米材料。材料经SEM、XRD等表征显示良好结晶性和分散性，电化学测试表明其比电容达890 F/g，能量密度14 Wh/kg，过电位133 mV，且循环稳定性优异，具备应用于储能与制氢的潜力。
桑杜斯·阿扎尔（Sundus Azhar）|库拉姆·沙赫扎德·艾哈迈德（Khuram Shahzad Ahmad）|杰哈德·S·阿尔-哈瓦迪（Jehad S.Al-Hawadi）|艾萨克·亚伯拉罕斯（Isaac Abrahams）|王琳（Wang Lin）|拉姆·K·古普塔（Ram K. Gupta）|阿尼斯·A·安萨里（Anees A. Ansari）|阿马尔·巴凯斯（Amal BaQais）
巴基斯坦拉瓦尔品第法蒂玛·真纳女子大学环境科学系
摘要
在本研究中，我们采用了一种简便的绿色合成方法制备了新型的Bi2O3基纳米材料，用于能量存储超级电容器以及整体水分解技术。通过在不同浓度的La2O3（2.5%至10%）存在下，利用植物（生物）还原剂和稳定剂对Bi2O3进行水热掺杂，得到了含有La2O3的Bi2O3纳米材料，即< />[Bi2O3:La2O3]。所有合成的样品均通过扫描电子显微镜、X射线衍射、能量色散X射线光谱和傅里叶变换红外光谱进行了全面表征。A.viridis[Bi2O3:La2O3]纳米材料基的Bi2O3:La2O3-NF电极在2 mV/s至300 mV/s的循环伏安法下显示出890 F/g的比电容，在1 A/g的恒电流充放电法下显示出292 F/g的比电容。Bi2O3:La2O3-NF还具有14 Wh/Kg的高能量密度和优异的倍率稳定性。作为一种双功能电催化剂，Bi2O3:La2O3-NF在10 mA/cm2电流密度下表现出133 mV的较低过电位和191 mV/dec的塔菲尔（Tafel）斜率。此外，Bi2O3:La2O3-NF电催化剂在1000次循环测试中表现出优异的稳定性，并在20小时的计时电流法研究中表现出卓越的耐久性。总体而言，本研究的结果显著展示了其在能量存储和生成方面的潜力。
引言
日益增长的能源需求、化石燃料的枯竭以及环境退化是推动大规模实施能量存储和转换系统（包括超级电容器[1]、[2]以及整体水分解[3]、[4]）研究的重要因素。由于氢气（H2）具有较高的比能量密度且可通过电化学水分解法清洁、可持续地制备高纯度氢气[5]、[6]、[7]，因此被视为最有潜力的替代品。为了实现阳极氧气演化反应（OER）和阴极氢气演化反应（HER），需要活性电催化剂。目前最有效的HER和OER催化剂主要基于“铂族”贵金属，这些贵金属表现出优异的电催化性能。然而，铂族的较高成本、较低的地球丰度以及较差的稳定性限制了其在整体水分解中的大规模应用[8]。因此，设计出低成本、高效且高稳定性的非贵金属基电催化剂以促进水分解，从而发展先进的清洁能源转换技术，是一项既重要又具有挑战性的任务。与此同时，由于超级电容器具有较高的功率密度和更长的循环寿命，被认为是极具前景的能量存储设备[9]、[10]、[11]。然而，超级电容器领域仍面临诸如较低能量密度等显著挑战，这严重阻碍了其在实际应用中的推广[12]。为了克服这些挑战，需要开发出高效的电极活性材料，以在不降低超级电容器固有功率密度的前提下提高其能量存储能力。能量转换水分解电催化剂和能量存储超级电容器在其性能上很大程度上依赖于电极材料。因此，创新电极材料的进步是实现水分解和超级电容器高效能量存储与生成的关键。
目前，非贵金属过渡族金属氧化物因其天然丰度、较高的稳定性和较低的成本，而被广泛研究作为功能性电极材料，以满足双功能电催化剂和超级电容器的需求[13]、[14]。在不同的电极材料中，基于镍氧化物[15]、[16]、钴氧化物[15]、锌氧化物[18]、锰氧化物[19]和铋硫化物[20]的纳米材料受到了广泛关注和研究。过渡族金属氧化物（TMOs）具有多种氧化态，有利于电化学反应。为了进一步增强TMOs的电化学性能，人们将它们制备成二元和三元纳米复合材料以及混合金属氧化物，以提供更多的氧化态，从而促进丰富的法拉第氧化还原反应。关于Ni、Co和Mn氧化物作为超级电容器和水分解电极材料的研究已经取得了大量成果[21]。在这些材料中，混合金属氧化物（如锌、钛）表现出优异的性能，如耐辐射性、离子导电性、高电导率、化学和热稳定性以及压电特性，使其适用于多种电化学应用[22]、[23]。在其他TMOs中，Bi2O3具有多种氧化态，可以增强超级电容器和水分解的电化学导电性和活性[24]、[25]。根据现有文献，合成新型Bi2O3电极纳米材料显得尤为重要。基于铋的氧化物无毒且更稳定，具有广泛的抗菌性能[26]，其带隙与TiO2相似，并能吸收大量太阳能。催化剂和气体传感器经常使用铋，因为它具有优异的电学性能，如高电子迁移率、低质量以及较长的平均自由路径和低电荷密度。与其他氧化物相比，铋氧化物（特别是Bi2O3）具有更高的离子导电率（1.0 S/cm），使其成为比文献中提到的稳定氧化锆更好的固体电解质[27]、[28]。遗憾的是，与其他TMOs相比，针对基于Bi2O3?的新电极材料的研究较少。
Bi2O3是一种低成本金属氧化物，具有1300 F/g的理论比电容，并且在适当的工作电压范围内具有优异的电化学稳定性。为了提高Bi2O3的电化学导电性，研究人员尝试通过将其他金属和碳化合物掺入Bi2O3纳米材料中来改善其性能，从而实现更高效的能量生成和存储。尽管Bi2O3具有优异的电化学性能，但在超级电容器和水分解领域的应用和研究仍较少。因此，在本研究中，我们制备并研究了基于Bi2O3的新型电极材料，以提升其在超级电容器和水分解中的电化学性能。
在本研究中，我们采用了一种简便的方法来合成新型Bi2O3纳米材料。我们通过绿色植物合成途径制备了掺杂La2O3的Bi2O3纳米材料。尽管La2O3在能量存储和生成方面具有较高的电化学潜力，并且具有环保特性和优异的物理化学性质，但在电存储和能源应用中的系统报道较少[29]、[30]、[31]。因此，选择La2O3作为掺杂剂，制备了新型的La2O3掺杂Bi2O3 [Bi2O3:La2O3]纳米材料，这些材料有望用于环保且经济的水分解和超级电容器设备。此外，在本研究中，[Bi2O3:La2O3纳米材料是通过使用Amaranthus viridis（A.viridis）植物叶片的植物化学提取物作为还原和稳定剂，通过简便的绿色合成途径制备的。A.viridis的植物化学物质不仅用作合成燃料，还起到稳定剂的作用。A.viridis是一种药用植物，其植物化学物质富含抗氧化剂和还原潜力[32]、[33]。这是首次在[Bi2O3:La2O3纳米材料的制备中使用A.viridis植物叶片。A.viridis新鲜叶片在阴凉处干燥10天后，用电动研钵研磨成细粉，用于实验过程。A.viridis的植物化学物质将碳基化合物引入合成纳米材料中，从而进一步增强了电化学性能。在本研究中，我们主要通过向Bi2O3中掺入La2O3，再加入A.viridis中的碳化合物，来提升Bi2O3在超级电容器和水分解中的电化学性能。我们的工作展示了新型Bi2O3:La2O3纳米电极材料在整体水分解和超级电容器应用中的简便合成方法。
使用的化学物质
在本合成方法中使用的化学物质包括醋酸镧（La(CH?COO)?）和醋酸铋(III)（Bi(CH3COO)3）、碱性KOH以及分析级乙醇，这些化学物质均以99%以上的纯度从Sigma-Aldrich（Merk集团）公司购买。去离子水（DIW）用作纳米材料的溶剂，而Amaranthus viridis（A.viridis）叶片粉末则用作还原-稳定剂。
方法
在合成纳米材料之前，首先制备了植物还原剂的水溶液
A.Viridis[Bi2O3:La2O3纳米材料
A.viridis[Bi2O3:La2O3纳米材料以四种不同浓度制备，最终得到2.5% La2O3掺杂的Bi2O3、5% La2O3掺杂的Bi2O3、7.5% La2O3掺杂的Bi2O3和10% La2O3掺杂的Bi2O3，分别表示为2.5%[Bi2O3:La2O3、5%[Bi2O3:Nd2O3、7.5%[Bi2O3:La2O3和10%[Bi2O3:La2O3纳米材料。A.viridis的碳质生物活性化合物将前体金属盐还原为零价金属，随后在热处理过程中转化为相应的氧化物
结论
我们成功地通过植物基绿色合成途径合成了< />[Bi2O3:La2O3纳米材料。La2O3以2.5%、5%、7.5%和10%的不同浓度掺入Bi2O3，分别标记为2.5%[Bi2O3:La2O3、5%[Bi2O3:La2O3、7.5%[Bi2O3:La2O3和10%[Bi2O3:La2O3。每种合成的< />[Bi2O3:La2O3纳米材料都显示出了A.viridis中的碳基植物化学物质的优异稳定性。二元金属的协同效应
CRediT作者贡献声明
桑杜斯·阿扎尔（Sundus Azhar）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
库拉姆·沙赫扎德·艾哈迈德（Khuram Shahzad Ahmad）：研究，概念构思。
杰哈德·S·阿尔-哈瓦迪（Jehad S.Al-Hawadi）：资金获取。
艾萨克·亚伯拉罕斯（Isaac Abrahams）：数据管理。
王琳（Wang Lin）：形式分析。
拉姆·K·古普塔（Ram K. Gupta）：形式分析。
阿尼斯·A·安萨里（Anees A. Ansari）：资金获取。
阿马尔·巴凯斯（Amal BaQais）：撰写 – 审稿与编辑，可视化，概念构思。
资助
作者感谢沙特阿拉伯利雅得普林塞斯努拉·宾特阿卜杜勒拉赫曼大学的研究支持项目（PNURSP2026R230）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢巴基斯坦高等教育委员会以及巴基斯坦拉瓦尔品第法蒂玛·真纳女子大学环境科学系的支持。作者还感谢沙特阿拉伯利雅得普林塞斯努拉·宾特阿卜杜勒拉赫曼大学的研究支持项目（PNURSP2026R230）的资助。
