纳米材料实现双重功能——高性能储能和高效降解污染物

信州大学的研究人员通过将双金属和三金属钼酸盐嵌入氮、硼和氟掺杂的中空碳纳米纤维中，开发了一种低成本的纳米复合材料。这种材料在超级电容器中表现出优异的电化学性能，具有高电容和长期稳定性，在降解常见工业污染物4-硝基苯酚方面具有很强的催化效率。

该复合材料为储能和环境修复提供了有前景的双重功能，为应对紧迫的全球能源和污染挑战提供了可扩展且高效的解决方案。

世界在能源和环境可持续性方面面临着越来越多的挑战。人口、城市化和工业活动的快速增长，特别是在发展中国家，推高了全球能源消耗，加剧了水污染。

这些双重压力激发了对能够解决储能和环境问题的多功能纳米结构材料的研究浪潮。双金属和三元金属钼酸盐是最有前景的候选者之一，具有很强的催化和电化学性能。

然而，现有的合成这些纳米复合材料的方法往往存在重大缺陷。许多人依赖于石墨烯或碳纳米管等高成本碳材料。其他一些需要过量的金属，通常超过50重量%，或者涉及复杂、耗时且对环境不友好的合成方法。这些限制使得许多实验室规模的解决方案在实际应用中不切实际，特别是在最需要它们的地区。

认识到这一差距，日本信州大学的一个研究小组，由纳米聚变技术研究实验室的杰出教授Ick Soo Kim领导，包括同一所大学的Gopiraman Mayakrishnan博士、Azeem Ullah博士和Yeungnam大学的Ramkumar Vanraj博士，创造了一种新型纳米复合材料，可以以更低的成本提供高性能。该研究于2025年4月2日在线发表在《先进纤维材料》杂志上。

研究人员将超细双金属（FeMo）和三元（NiCoMo）钼酸盐锚定在已“掺杂”氮、硼和氟的空心碳纳米纤维上。这些掺杂剂增强了碳支架的导电性和化学反应性，而中空结构使可用于反应的表面积最大化。“我们创建了一个多功能平台，不仅具有可扩展性和成本效益，而且在储能方面也提供了卓越的性能，”金教授说。“我们的方法减少了对昂贵金属的依赖，碳纳米纤维的掺杂增强了它们的性能，使我们能够创造一种既能满足能源需求又能满足环境需求的材料。”

新型纳米复合材料主要是为了测试其增强储能的能力。它的比电容为1419.2 F/g，明显高于目前用于储能的许多其他材料。此外，该材料在10000次充放电循环后保持了86%的初始容量，这是储能系统长期可靠性的关键因素。

除了储能能力外，纳米复合材料在环境应用方面也显示出巨大的前景。该材料被测试了其催化4-硝基苯酚还原的能力，4-硝基苯酚是一种常见于工业废水中的有毒化合物。结果表明，该材料在分解这种污染物方面非常有效，表明其在水净化和污染控制技术中的应用潜力。

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这种新型纳米复合材料的生产成本也相对较低。传统的纳米材料通常依赖于石墨烯或大量金属等昂贵的成分，这可能会推高生产成本。相比之下，这种新材料使用更少的金属和更简单的合成工艺，使其更适合大规模应用。

这种新型纳米复合材料提供了高性能、成本效益和可扩展性的有前景的组合，使其成为广泛应用的有力候选者。这是为应对全球挑战而开发可持续纳米技术的重要一步。但在将这种创新材料推向市场之前，还需要进一步的研究和开发。金教授总结道：“下一步是改进生产工艺，并在更多样化的条件下测试材料。”。“我们还计划探索其在其他环境应用中的潜力，例如去除不同类型的污染物。”