NaCl-Assisted Synthesis of Co/CoS2 Heterostructures Encapsulated within N, S Co-doped Carbon Nanotubes as Electrocatalysts for Anion Exchange Membrane Fuel Cells and Rechargeable Liquid-State/flexible Zn-air Batteries
本研究报道了一种通过 NaCl 辅助合成的、被封装在 N,S 共掺杂碳纳米管中的 Co/CoS2 异质结构，该结构作为一种高效且稳定的双功能电催化剂，能够实现高性能阴离子交换膜燃料电池以及可充电液态/柔性锌空气电池，其性能优于商业化的 Pt/C 和 RuO2 基准。
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世界正在寻找更好的储能和释能方式，从驱动现有机器的有限资源转向更清洁、更可持续的系统。在最有希望的竞争者中，有一种通过直接从空气中提取氧气来产生电力的可充电电池，这一过程依赖于同时发生的两个关键化学反应。其中一个反应将氧分子拆解以释放能量，而另一个反应则将其重新组装以储存能量。为了让这些电池高效运行，它们需要能够有效加速这两个反应的材料。几十年来，科学家一直依赖铂等稀有且昂贵的金属来完成这项工作，但其高昂的成本和稀缺性使其难以广泛应用。因此，挑战在于寻找一种既廉价、耐用，又能处理化学方程式两端且不会随时间推移而失去强度的材料。
韩国仁荷大学的一个研究小组开发出了一种新材料，通过巧妙地结合简单成分解决了这些障碍。他们创造了一种由含有钴和硫化钴的微小颗粒组成的催化剂，这些颗粒被包裹在碳纳米管的保护壳内。这些纳米管不仅仅是简单的管状物；它们还注入了氮和硫原子，从而微调了材料的电子特性，使其更具反应活性。成功的关键在于一种使用普通食盐作为临时模具的特定制造技术。通过将原材料与盐混合并加热，研究人员得以创造出一种高度多孔的、类似海绵的结构，这种结构可以防止活性颗粒聚集在一起。这种盐辅助法确保了最终产物具有巨大的内表面积，使液体和气体能够轻松流过，这对于电池快速高效地运行至关重要。
所得材料是一种将钴和硫化钴嵌入氮、硫掺杂碳纳米管中的复杂结构，事实证明其效果非常显著。在实验室测试中，它展示了驱动氧释放和氧吸收反应的能力，其效率足以媲美甚至超过昂贵的铂和� ルテニウム（钌）基准。具体而言，这种新催化剂在启动氧释放反应时所需的额外能量极少，并表现出强大的还原氧能力，这一性能对于电池的长寿命至关重要。研究人员发现，金属颗粒、保护性碳管和掺杂原子的独特组合产生了一种协同效应。碳管充当了电流快速流动的“高速公路”，而金属与硫化物的特定排列则创造了一个内部电场，有助于引导化学反应。这种设计还使材料具有惊人的稳定性，能够抵御电池内严苛的化学环境并持续运行超过100小时，远长于那些在较短时间内就开始退化的传统金属催化剂。
为了证明这种材料在实际设备中的作用，该团队构建了两种不同类型的电池。首先，他们制造了一种标准的液态锌空气电池，该电池使用液体电解质来传导离子。在这种设置下，新催化剂使电池能够输出163.57毫瓦每平方厘米的峰值功率密度，这一数值超过了使用标准铂钌混合物电池的表现。该电池还展现了令人印象深刻的耐用性，在超过100小时的充放电循环中没有明显的功率损失。其次，研究人员在一种专为可穿戴电子设备设计的柔性准固态电池中测试了该材料。这种设备使用凝胶状电解质而非液体，使其可以被弯曲和塑形。即使在这些柔性条件下，该催化剂的表现依然出色，输出了95.19毫瓦每平方厘米的峰值功率密度，并在超过25小时的连续循环中保持性能稳定。即使在剧烈弯曲时，电池仍能正常工作，证明了该材料足以用于智能服装或折叠式电子产品等可弯曲设备。
该项目的成功在于对材料微观结构的精确工程设计。研究人员使用了一种涉及锌蒸发和去除盐模板的方法来创建微孔网络，确保电解质可以到达催化剂内的每一个活性位点。这种多孔架构结合导电碳纳米管网络，解决了活性颗粒随时间推移发生聚集或溶解的常见问题。研究证实，通过仔细排列这些组件，可以创造出高性能且不依赖贵金属的催化剂。研究结果为开发廉价、耐用且高效的储能系统指明了清晰的路径，这些系统可以为从电动汽车到可穿戴技术的一切设备提供动力，让我们离能源存储既可持续又普及的未来更近一步。
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