Гибридный электрод из фосфидированного оксида вольфрама@полианилин на никелевой пене для двухфункционального суперконденсатора и окисления метанола

Умные материалы для хранения и производства чистой энергии

Современная жизнь зависит от электричества, но существующие аккумуляторы и топливные технологии часто громоздки, долго заряжаются или слишком дороги. В этом исследовании описан новый «два в одном» материал, который одновременно может накапливать энергию как быстрый, долговечный супер‑аккумулятор и эффективнее превращать жидкое топливо в электричество. Тщательно наслаивая разные слои из общих и благородных материалов, учёные создали крошечную структуру, которая может сделать будущие гаджеты и системы чистой энергии компактнее, быстрее и дешевле.

Создание мини‑энергетической губки

В основе работы — тщательно спроектированный электрод — часть устройства, где происходят электрические реакции. Исследователи начинают с никелевой пены, металла, похожего на жёсткую губку с порами. На этой пене вырастают игольчатые кристаллы оксида вольфрама, которые затем частично преобразуют в фосфид вольфрама, родственное соединение с лучшей проводимостью и большим количеством реактивных участков. Затем эти нано‑иглы покрывают тонким слоем проводящего пластика полианилина. Такая послойная конструкция создаёт высокопористую трёхмерную сеть, обеспечивающую быстрый транспорт ионов и электронов и большую площадь поверхности для реакций.

Почему этот гибрид удерживает так много заряда

Комбинация фосфида вольфрама и полианилина является ключом к высокой эффективности материала как суперконденсатора — устройства, которое заряжается и разряжается гораздо быстрее, чем обычный аккумулятор. Вольфрамовые соединения дают богатые «редокс»‑центры — места, где электроны могут приниматься и отдаватся — в то время как полианилин действует как быстрый, гибкий путь для электрических зарядов. Испытания в щелочном водном электролите показывают, что гибридный электрод может удерживать впечатляющие 1210 кулон на грамм при умеренном токе, что значительно превосходит каждый компонент по отдельности. Даже при значительно более высоких скоростях заряда‑разряда он сохраняет большую часть ёмкости благодаря открытой губчатой структуре, позволяющей ионам проникать глубоко в материал.

От одного электрода к практическому устройству

Чтобы изучить поведение материала в реальных условиях, команда собрала асимметричный суперконденсатор. В качестве положительного электрода использовали их гибридный материал, а в качестве отрицательного — обычный активированный уголь, похожий на тот, что используется в фильтрах для воды; между ними поместили бумажный сепаратор и тот же щелочной электролит. Такое устройство можно безопасно эксплуатировать в широком диапазоне напряжений, что важно для увеличения запасаемой энергии. Оно обеспечило плотность энергии около 60 ватт‑часов на килограмм, сопоставимую с некоторыми батарейными технологиями, при этом сохраняя способность выдавать быстрые импульсы мощности, характерные для суперконденсаторов. После 10 000 циклов заряда‑разряда устройство сохранило почти 90% первоначальной ёмкости, что указывает на сопротивляемость послойной структуры образованию трещин и деградации, которые часто приводят к ухудшению характеристик со временем.

Помощь топливным элементам в превращении метанола в энергию

Та же архитектура также служит мощной платформой для превращения метанола, жидкого топлива, в электричество в щелочных топливных элементах. Для этой задачи исследователи добавили очень тонкое напыление наночастиц платины на слой полианилина. Платина — эталонный катализатор для окисления метанола, но она редка и дорога, поэтому важно использовать её эффективно. Азотсодержащий полианилин помогает закрепить платину в виде крошечных разнесённых частиц, а фосфид вольфрама обеспечивает дополнительные химические «помощники», облегчающие удаление углеродных остатков, которые в противном случае засорили бы поверхность. В результате гибридный электрод демонстрирует гораздо более высокую активность — почти в 2,5 раза больший ток на единицу платины — по сравнению с аналогичным электродом без вольфрамового слоя, и сохраняет свыше 80% активности после 1000 тестовых циклов.

Что это означает для будущих энергетических устройств

Проще говоря, исследователи создали своего рода «швейцарский нож» среди электродов: без благородных металлов он работает как высокоэффективный, долговечный материал для хранения энергии, а при добавлении крошечного количества платины превращается в эффективный и прочный катализатор для метаноловых топливных элементов. Такой универсальный дизайн может сократить количество разных материалов в продвинутых энергетических системах и уменьшить потребление дорогих металлов. Хотя для масштабирования технологии и испытаний в полноразмерных устройствах требуется дополнительная работа, исследование указывает путь к компактным, многофункциональным компонентам, которые могут лечь в основу следующего поколения портативной электроники и систем чистой энергии.

Цитирование: Adriyani, T.R., Ensafi, A.A. Phosphidated tungsten oxide@polyaniline hybrid electrode on nickel foam for dual-function supercapacitor and methanol oxidation. Sci Rep 16, 7008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38573-w

Ключевые слова: суперконденсатор, топливный элемент, материалы электродов, проводящий полимер, окисление метанола