磷化钨氧化物@聚苯胺复合电极覆盖镍泡沫：兼具超级电容器储能与甲醇氧化的双重功能

为储能与清洁发电打造更聪明的材料

现代生活依赖电力，但现有电池和燃料技术常常体积庞大、充电缓慢或成本过高。本研究报告了一种新的“双合一”材料，它既能像快速且寿命更长的超级电池那样存储能量，也能更高效地将液体燃料转化为电能。通过精心叠层常见与贵重材料，研究人员构建出一种微小结构，有望使未来的设备和清洁能源系统更小、更快且更廉价。

构建微型能量海绵

该工作的核心是一种精心设计的电极——电化学反应发生的部位。研究人员以镍泡沫为基底，这种金属看起来像刚性且多孔的海绵。在其上生长出针状的氧化钨晶体，然后将其部分转化为导电性更好、反应位点更多的磷化钨。接着在这些纳米针上包覆一层薄薄的导电聚合物聚苯胺。这样的分层设计形成了高度多孔的三维网络，使离子和电子能够快速迁移，同时提供大量反应表面积。

为何这种复合材料能储存大量电荷

磷化钨与聚苯胺的结合是该材料作为超级电容器表现优异的关键。磷化钨提供了丰富的“氧化还原”位点——电子能被吸收和释放的位置，而聚苯胺则像一条快速且灵活的电荷通道。在碱性水溶液中的测试表明，该复合电极在中等电流下每克能够存储约1210库仑的电荷，远高于任一单一成分。即便在高倍率充放电条件下，它也能保持大部分容量，这得益于其开放的海绵状结构，使液相中的离子能够深入材料内部。

从单电极到实用装置

为评估该材料在实际场景中的表现，团队构建了一台不对称超级电容器。他们将所制复合电极用作正极，负极则使用常见的活性炭——类似于水过滤器中用到的材料，中间以纸质隔膜和相同的碱性溶液隔开。该器件可在较宽的电压范围内安全工作，这对提高能量储存至关重要。器件实现了约60瓦时/公斤的能量密度，可与某些电池技术相媲美，同时仍保有超级电容器典型的快速放电能力。在经过1万次充放电循环后，器件仍保留近90%的初始容量，表明分层结构能抗裂解与随时间发生的性能衰退。

助力燃料电池将甲醇转化为电能

相同的结构也可作为高效平台，用于碱性燃料电池中将甲醇转化为电能。为此，研究人员在聚苯胺层上添加了极薄的铂纳米颗粒。铂是甲醇氧化的优良催化剂，但稀缺且昂贵，因此高效利用铂非常重要。富含氮的聚苯胺有助于将铂锚定为分散良好的微小颗粒，磷化钨则提供额外的化学助力，便于去除会堵塞表面的碳基中间产物。因此，与没有钨基层的类似电极相比，复合电极在单位铂上表现出近2.5倍更高的电流活性，且在1000次测试循环后仍保持超过80%的活性。

对未来能源器件的意义

简而言之，研究人员构建了一种类似“多功能军刀”的电极：在不使用贵金属时，它能作为高性能、耐用的储能材料；加入微量铂后，它又成为高效且耐用的甲醇燃料电池催化剂。这种双重用途的设计可望减少先进能源系统中所需的材料种类，并降低对昂贵金属的依赖。尽管还需更多工作来放大制备规模并在完整器件中测试该技术，但这项研究指向了紧凑且多功能的组件，有望成为下一代便携电子设备与清洁能源系统的基础。

引用: 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

关键词: 超级电容器, 燃料电池, 电极材料, 导电聚合物, 甲醇氧化