ZnIn2S4/Zr2C@PANI复合材料的优化设计及其在能源存储与氢能催化中的协同增效研究

为解决超级电容器能量密度低和氢析出反应（HER）催化剂效率不足的问题，研究人员通过水热法合成ZnIn2S4/Zr2C@PANI复合材料，结合三元硫化物ZnIn2S4的层状结构、MXene材料Zr2C的高导电性及聚苯胺（PANI）的赝电容特性，实现了比容量2352C/g、能量密度64.7 Wh/kg的优异性能，同时Tafel斜率低至36 mV/dec，显著提升HER催化效率。该研究为多功能能源材料设计提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增和环境压力加剧，开发高效、清洁的能源存储与转换技术成为当务之急。超级电容器（SCs）虽具有功率密度高、循环寿命长的优势，但其能量密度（E_d）远低于电池，而氢能作为零碳能源载体，其制备效率受限于催化剂性能。传统材料难以兼顾高容量储能与高效催化双重需求，亟需设计新型多功能复合材料。

Riphah国际大学（巴基斯坦）的Muhammad Ashraf团队在《Inorganic and Nuclear Chemistry Letters》发表研究，通过水热法构建ZnIn₂S₄/Zr₂C@PANI三元复合材料。该工作创新性地将三元硫化物ZnIn₂S₄的层状结构、二维MXene材料Zr₂C的快速离子传输能力与导电聚合物PANI的赝电容特性相结合，实现了能源存储与催化性能的协同提升。

研究采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和电化学阻抗谱（EIS）等技术表征材料结构，通过循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）评估储能性能，并利用Tafel斜率分析HER催化活性。

材料表征
XRD证实复合材料成功保留ZnIn₂S₄的六方相（JCPDS No. 65-2023）和Zr₂C的特征峰（2θ=32.8°、38.7°）。SEM显示PANI包覆形成多孔网络结构，BET测试表明比表面积达187 m²/g，为离子吸附提供丰富活性位点。

电化学性能
在三电极体系中，复合材料展现2352C/g的比容量（Q_s）和262.5 F/g的比电容，优于单一组分。两电极系统测试显示能量密度达64.7 Wh/kg（功率密度1250 W/kg），循环500次后容量保持率超过90%，归因于PANI增强的导电性和结构稳定性。

氢析出反应
复合材料在10 mA/cm²电流密度下的过电位仅201 mV，Tafel斜率为36 mV/dec，接近贵金属Pt/C催化剂性能。PANI的π-π共轭效应促进电荷转移，而Zr₂C的层间通道加速质子扩散，协同降低HER能垒。

该研究通过材料组分与结构的精准调控，成功实现储能与催化功能的集成。ZnIn₂S₄/Zr₂C@PANI的高性能源于三大机制：1）ZnIn₂S₄的层状结构提供大量氧化还原活性位点；2）Zr₂C的金属导电性促进电子传输；3）PANI的掺杂优化电极-电解质界面动力学。这一设计策略为开发下一代能源器件提供了重要参考，尤其对风光发电配套储能-制氢一体化系统具有应用潜力。