Синтез пористых Co–N-допированных углеродных катализаторов как долговечного катода для цинк–воздушной батареи

Почему важны более совершенные батареи

От электромобилей до резервного питания домов — мы всё больше полагаемся на перезаряжаемые батареи. Цинк–воздушные батареи особенно привлекают внимание: они используют недорогие материалы, высокоэнергозатратны и относительно безопасны. Но ключевой узкий сектор — это то, как эффективно они «дышат»: кислород из воздуха должен эффективно реагировать на воздушном электроде батареи, а существующие каталитические материалы, которые ускоряют эту реакцию, либо дороги, либо быстро деградируют. В этом исследовании рассматривается новый, долговечный катализатор на основе кобальта, азота и углерода, организованный в тщательно спроектированную пористую структуру, с целью сделать цинк–воздушные батареи более долговечными и практичными.

Как батарея «вдыхает» кислород

В цинк–воздушной батарее цинковый металл реагирует с кислородом из воздуха, вырабатывая электричество. Сложный этап — реакция восстановления кислорода, при которой молекулы кислорода превращаются в заряженные частицы, пригодные для использования батареей. Обычно эту стадию облегчают драгоценные металлы, такие как платина, которые дорогие и подвержены износу. Авторы сосредотачиваются на более дешевом альтернативном подходе: углеродном материале, допированном кобальтом и азотом. Внесённые атомы создают на поверхности углерода высокоактивные участки, где кислород может реагировать с большей лёгкостью, потенциально соперничая с платиной при гораздо меньших затратах.

Создание крошечных пористых сфер

Исследователи спроектировали свой катализатор в виде микроскопических полых сфер, пронизанных порами разного размера. Для их изготовления они использовали частицы диоксида кремния (SiO₂) в качестве съёмного шаблона. Смешав соль кобальта, глюкозу (простой сахар), азотсодержащее соединение и кремнезём в воде, а затем обработав смесь в закрытой горячей ёмкости, они добились формирования углеродной оболочки с кобальтом и азотом вокруг кремнезёмных сфер. После высокотемпературного отжига и промывки кремнезёма щелочным раствором в остатке остались прочные углеродные микросферы, допированные кобальтом и азотом и испещрённые порами. Путём регулирования количества добавленной соли кобальта и температуры нагрева были получены несколько вариантов катализатора с разной пористостью и размерами частиц.

Почему поры имеют значение

Оказалось, что расположение этих пор критично. Мелкие поры дают большую площадь поверхности и много активных участков, где может протекать реакция с кислородом. Поры среднего размера помогают кислороду и жидкому электролиту достигать этих участков, тогда как крупные поры действуют как маленькие резервуары, в которых накапливаются реагенты и сохраняются проходимые пути. Детальное изображение и измерения поверхности показали, что один из катализаторов, обозначенный Co-900-100, содержал все три типа пор — мелкие, средние и крупные — встроенные в прочные углеродные оболочки. Другой вариант, Co-900-50, имел большую удельную поверхность, но меньше крупных пор. Оба материала демонстрировали хорошие показатели по реакции кислорода в лабораторных тестах, но их поведение в полноценных цинк–воздушных батареях различалось существенно.

Проверка новых материалов в деле

При использовании в рабочих цинк–воздушных батареях оба катализатора обеспечивали стабильный разряд в широком диапазоне токов, то есть могли стабильно выдавать мощность. Батарея с Co-900-100 показала более высокую максимальную плотность мощности и особенно впечатляющую долговременную стабильность. В течение 100 часов непрерывного разряда её напряжение даже немного увеличивалось, а не падало. При быстром циклическом заряде–разряде в течение 300 циклов эта батарея держала напряжение разряда около 1,24 В с почти нулевыми потерями. В отличие от неё, версия на основе Co-900-50 медленно теряла характеристики. Микроскопия после циклирования объяснила причину: поверхность Co-900-50 оказалась сильно покрыта оксидом цинка — побочным продуктом, который забивает активные участки и увеличивает сопротивление. Более крупные поры и более открытая структура Co-900-100 противостояли этой наслоению, оставляя большую часть поверхности катализатора доступной даже после длительной эксплуатации.

Что это значит для будущих источников энергии

Для неспециалистов главный вывод таков: внутренняя архитектура катализатора — сколько у него пор, какого они размера и как они связаны между собой — может быть не менее важна, чем его химический состав. Тщательно сформировав кобальт- и азот-допированный углерод в прочные многомасштабные пористые сферы, авторы создали катодный материал, который помогает цинк–воздушным батареям работать эффективно и сохранять стабильность в течение длительного времени. Хотя эти катализаторы пока не превосходят лучшие лабораторные прототипы по всем параметрам, их долговечность и относительно простая методика приготовления делают их перспективными кандидатами для практичных, недорогих металло–воздушных батарей, которые однажды смогут питать транспорт, электронику и резервные системы с более чистой и надёжной энергией.

Цитирование: Niu, F., Liu, JA., Zhao, LT. et al. Synthesis of the porous Co–N-doped carbon catalysts as a durable cathode for zinc–air battery. Sci Rep 16, 11426 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40942-4

Ключевые слова: цинк–воздушные батареи, катализатор восстановления кислорода, пористый углерод, допирование кобальтом и азотом, накопление энергии