Bimetallic cobalt-nickel phosphide composite biomass carbon materials as efficient electrocatalysts for zinc-air batteries

世界正在寻找更清洁的储能方式，以摆脱那些污染空气并使地球变暖的化石燃料。在众多正在探索的技术中，可充电锌空气电池作为一种极具前景的选择脱颖而出。这些装置的工作原理类似于传统电池与燃料电池的混合体。它们使用锌金属板作为一侧，并从空气中提取氧气作为另一侧，通过化学反应产生电能。它们理论上具有极高的能量密度，并且由于使用的是水基液体而非易燃化学品，因此本质上非常安全，且由廉价且丰富的材料制成。然而，一个主要的障碍阻碍了它们成为主流动力源：电池内部发生的化学反应速度太慢。具体而言，消耗氧气以产生电力的过程以及释放氧气以给电池充电的反向过程，都难以跟上需求。为了解决这个问题，科学家需要被称为催化剂的特殊材料来加速这些反应。目前最优秀的催化剂是由铂等稀有且昂贵的金属制成的，而这些金属既稀缺又成本过高，无法进行大规模应用。

来自中国大学的一个研究小组开发了一种新方法来解决这一问题，他们创造出了一种既高效又实惠的催化剂。该团队并未依赖稀有金属，而是将两种常见的过渡金属——钴和镍，与一种源自天然、可生物降解材料（一种被称为壳聚糖的物质）的碳结合在一起。壳聚糖来自于甲壳类动物的壳，这是一种经常被丢弃的废弃物。研究人员将这种废弃物加工成多孔碳材料，然后在上面生长出微小的钴镍磷化物结构。磷化物是一种金属原子与磷（一种以导电性良好著称的元素）结合而成的化合物。通过将这些元素混合在一起，该团队创造出了一种复合材料，它能作为一种强大的催化剂，同时驱动电池所需的耗氧反应和释氧反应。

研究人员在实验室环境下测试了这种被命名为 CoNiP@NC 的新材料，以观察其性能与昂贵的“金标准”催化剂相比如何。他们发现，这种新材料的表现非常出色。在测量其启动耗氧反应的难易程度时，它所需的电压为 0.876 伏特，这一数值非常接近昂贵的铂基催化剂的表现。在测量其释放氧气以给电池充电的能力时，它仅需额外的 503 毫伏电压，这优于他们所对比的基准材料。简单来说，这种新催化剂驱动必要化学反应时产生的能量损耗比传统的昂贵选项更少。团队还发现，钴和镍的特定组合至关重要。当他们使用锰或铁等其他金属代替镍来测试类似材料时，性能并不理想。镍原子似乎改变了钴的电子环境，使得表面的活性位点能够更有效地执行任务。

为了理解为什么这种组合如此有效，研究人员使用了强大的计算机模拟技术，在微观层面上观察原子的行为。这些计算表明，镍的存在降低了化学反应的能垒，使过程更容易发生。模拟还显示，氮掺杂碳载体发挥了至对作用。这种碳材料不仅仅是一个被动的承载者；它提供了自身的反应活性位点，并有助于稳定金属结构，使其不会随时间推移而分解。由壳聚糖制成的碳材料具有多孔特性，这使得气体和液体能够轻松流动，确保活性位点始终可以接触到。这种金属颗粒与碳载体之间的协同作用，创造了一个稳定且高度活跃的系统。

这项新催化剂的最终测试是通过组装一个工作的锌空气电池，观察其能持续运行多久。研究人员使用这种新材料作为空气电极，并以锌板作为另一侧。他们让电池在恒定电流下进行反复的充放电循环。使用这种新催化剂的电池在显示出明显磨损迹象前运行了 240 小时。相比之下，使用标准铂及另一种昂贵金属氧化物混合物构建的对照电池在相同条件下仅维持了 110 小时。这一结果证明，这种更便宜的新材料不仅在驱动反应方面更高效，而且在长期运行中也更加耐用。该电池能长时间保持稳定的电压，这表明该催化剂不像传统材料那样容易降解。

这项工作的成功在于对不同组件的巧妙整合。研究人员不仅仅是将材料混合在一起，他们设计了一个让生物质衍生碳、钴和镍和谐共存的系统。碳提供了一个导电且多孔的框架，将金属位点暴露在电解质中，而双金属磷化物则提供了加速反应所需的特定化学特性。使用壳聚糖作为起点也解决了环境问题，将一种废弃物转化为了高科技组件。虽然这种新催化剂在开路电压上并未完全达到铂基电池的水平，但其卓越的循环寿命和更低的成本使其成为一个极具竞争力的替代方案。这项研究表明，通过仔细调节常见金属的电子结构，并利用可持续碳材料对其进行支撑，可以创造出高性能的电池，而不必依赖稀缺资源。这种方法为实现大规模存储可再生能源的锌空气电池提供了切实可行的路径。