system: [SYSTEM]

user: 3. CuCo 2 S 4 纳米材料的应用 3.1. 光热疗法方面的应用 近年来，医学的快速发展提高了对疾病的检测和治疗能力，显著提高了人们的健康水平。但仍有许多难以克服的健康问题，癌症就是其中之一。如何有效地诊断并治疗癌症已经成为了当今医学界亟待解决的难题。光热疗法(Photothermal therapy)具有微创性，高选择性和副作用小的优点，因此成为了一项很有研究前景的肿瘤治疗方法。而CuCo 2 S 4 作为一种新型多功能纳米材料的出现，结合光热疗法也为癌症的诊断和治疗提供了一条新途径。 光热疗法要求光热剂材料具有较高的光热性能，这能使光热剂在适当的激光照射下产生局部温度升高，从而达到杀死癌细胞的治疗效果。其中铜基硫化物纳米材料引起了广泛关注，它具有成本低、光热转化效率高、光稳定性好和吸收能力好的特点。已有的实验数据表明，纳米尺寸的二元铜基硫化物在光热方面表现出强烈的近红外(NIR，700~1400 nm)吸收，而CuCo 2 S 4 纳米材料作为一种三元铜基硫化物 图1. (a)， (b)为纳米颗粒；(c)为类花状颗粒；(d)为空心球的扫描电镜图 纳米材料，也很好地继承了基体的这一性质 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] ，光热转换效率高达73.4% [ 2 ] ，具有良好的光热性能和光稳定性。同时，材料的成像能力也是至关重要的。优良的成像能力能确定肿瘤的准确位置、大小和形状，从而达到好的诊断和治疗效果。而作为医疗用材料，为了避免光热试剂浓度过高而对身体产生毒性作用，治疗上选用成像试剂浓度相对较低的磁共振(MR)成像。而CuCo 2 S 4 纳米材料中，因为Co中不成对的3d电子，提供了磁性，因而CuCo 2 S 4 纳米材料具有MR成像能力。除此之外，CuCo 2 S 4 纳米材料还具有较好的生物相容性和光声(PA)成像能力 [ 4 ] 。同时控制CuCo 2 S 4 纳米材料的尺寸小于10 nm，还能避免纳米颗粒在重要器官中的积累而导致的急性毒性和长期炎症反应。以上诸多性质都证明了合适尺寸的CuCo 2 S 4 纳米材料在应用新型高效光热疗法热消融HeLa肿瘤中能提供一个良好的诊断和治疗平台 [ 2 ] [ 4 ] 。 3.2. 催化方面的应用 CuCo 2 S 4 纳米材料由于其自身独特的纳米结构、电子结构 [ 12 ] [ 13 ] 、光电 [ 14 ] 和机械等性能，能作为氧还原、氧演变和氢析出等众多反应中的催化剂，已被报道在催化方面具有广泛的应用 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 。 3.2.1. 电催化下的氧还原和氧演变 CuCo 2 S 4 作为一种混合金属硫化物，在氧演化(OER)中表现出低的Tafel斜率、高耐久性和较低质量下的高周转频率负荷等优点，在氧还原(ORR)也表现出高的催化活性，显示出优异的双功能催化性能。这主要归功于Cu 2+ 位点实现了对OH、O和OHH活性物质的有效吸附 [ 15 ] 并提供了一个高度活跃的高自旋状态的八面体Co 3+ 催化。Shulin Zhao等 [ 14 ] 合成的CuCo 2 S 4 纳米片(厚度10~13 nm)在ORR反应中，起始还原电位和半波电位分别为0.90和0.74 V。Meenakshi等 [ 15 ] 利用水热合成法得到的CuCo 2 S 4 纳米片(厚度8~15 nm)，此纳米片在10 mA·cm −2 电流密度下可提供310 mV的超电势值，而且循环10，000圈后超电势值变化不大。在10 mV∙s −1 扫速下可持续12小时的氧气释放，而没有任何活性降解，优于Co 3 S 4 和Cu 0.5 Co 2.5 S 4 。说明了CuCo 2 S 4 纳米片对于电催化下的氧还原和氧演变反应具备优秀的催化活性和稳定性。 3.2.2. 薗头耦合反应 薗头耦合(Sonogashira)反应应用于许多天然产物的合成，烯二炔类抗生素以及工程材料的制备。与以往报道的催化剂相比，Roghayeh等 [ 13 ] 发现CuCo 2 S 4 纳米材料和CuCo 2 S 4 /RGO纳米杂化材料显示出对芳基氯化物衍生物的高度改进催化活性。尤其是在较短反应时间(20分钟)和较低的Cu负载量(0.4 mol%)，CuCo 2 S 4 /RGO纳米杂化材料具有显著的催化活性。 3.2.3. 芬顿反应 现今含有有机染料的废水已经成为近年来困扰人们的一个环境问题，在这种大背景下， Fenton反应(使用Fe 2+ /H 2 O 2 产生-OH)因其成本节约和环境友好的特点脱颖而出。Zhang等 [ 17 ] 实验发现，CuCo 2 S 4 是一种有效的催化剂用以替代Fenton反应常用的铁盐，在保证催化效率的同时，能规避使用铁盐产生的大量污泥。Zhang等用两步法制备的碳纳米管包覆的CuCo 2 S 4 纳米颗粒，不仅表现出比CuS和CoS更高的催化速率，而且在pH值3~12内表现出一定的催化活性。同时提高了催化速率和极端pH值下的催化性能，提高了重复使用性，是有前景的Fenton反应催化剂。 3.2.4. 氢析出反应 同样是在环境保护的大背景下，清洁能源的开发同样受到人们重视，其中氢能源被认为是最干净的化学燃料。而CuCo 2 S 4 纳米材料也被发现在氢析出反应中显示出有良好的活性和稳定性。Ge等 [ 16 ] 用简便的一锅法制备了CuCo 2 S 4 团簇，应用于氢析出反应后发现其具有良好的催化活性。这主要归功于CuCo 2 S 4 独特的纳米结构增强了电导率和电化学表面积，可以说为设计三元硫化物氢析出催化剂开辟了一个潜在机会。 3.3. 超级电容器中的应用 能源危机和环境问题同为二十一世纪人类投入巨大心血亟待解决的问题，为了应对能源危机，许多新型的能源转换装置应运而生。近年来，超级电容器由于其优异的循环稳定性和出色的功率密度而受到越来越多的关注 [ 18 ] [ 19 ] 。研究发现 [ 20 ] CuCo 2 S 4 及其复合材料可以作为赝电容器的活性电极材料，三元硫化物CuCo 2 S 4 电极因其优秀的机械性能和Cu，Co之间的协同作用 [ 3 ] ，表现出电化学活性面积大和电荷转移电阻低 [ 21 ] 的特点。更直接地表现为高的比电容、能量密度、倍率性能、库伦效率和循环稳定性能 [ 3 ] [ 22 ] - [ 27 ] 。 Abu等 [ 3 ] 用简单的水热法合成CuCo 2 S 4 电极膜，在10 A∙g −1 的电流密度下达到516.3 F∙g −1 的最大电容，并在6.64 kW·kg -1 的功率密度下可获得35.15 Wh·kg -1 的高能量密度。CuCo 2 S 4 电极在非常高的电流密度50 A∙g −1 下进行10，000次充电/放电循环稳定性测试，显示出66%的优异保持率，库伦效率约为99%。 Zhang等 [ 5 ] 以花状CuCo 2 S 4 纳米颗粒作为电极材料，在电流密度为5 mA∙cm −2 时，电极的电容可达908.9 F∙g −1 。在30 mA∙cm −2 时，循环稳定性出色，2000次循环后与其初始容量相比，保持了91.1%的循环稳定性。Xu等 [ 28 ] 合成的CuCo 2 S 4 纳米颗粒表现出宽工作电压和优异的电化学性能，即：在3 mA∙cm −2 的电流密度下的面积电容为274.5 mF∙cm −2 ，能量密度高达15.0 Wh∙kg −1 ，功率密度为422.5 W∙kg −1 ，循环稳定性极佳，在5000次循环后的电容保持率为94.7%。 所有这些结果表明CuCo 2 S 4 纳米材料在超级电容器中的应用是成功的。也证明了CuCo 2 S 4 电极满足了超级电容器快速充电 [ 29 ] 、长周期寿命 [ 30 ] 、稳定性优异和性能安全 [ 31 ] [ 32 ] 的要求，而且材料及合成成本较低，是优秀的超级电容器电极材料。 3.4. 锂离子电池中的应用 电池和超级电容器被认为是同等重要的能量储备设施。作为储能设备，锂离子电池的性能很大程度上受到电极材料的影响 [ 33 ] [ 34 ] 。电极材料不仅被要求有高的比容量，而且要尽量保证电池的高速率和循环寿命。在这些性质方面，CuCo 2 S 4 纳米材料因其独特的物理和化学性质受到了极大的关注。 3.4.1. 优良的循环稳定性和循环寿命 Nie等 [ 8 ] 提出将过渡金属氧化物作为阳极材料时，在充放电过程中发生了体积膨胀，从而导致了电极材料循环性能的衰减。而Cu元素能在这个过程中提供缓冲基质，同时Cu和Co之间良好的协同作用也改善了离子扩散和电子传输，这都使CuCo 2 S 4 纳米材料电极的循环稳定性和循环寿命得到了提升。 3.4.2. 高的比容量甚至“超容量” Co元素为材料提供了一个高的理论容量 [ 35 ] ，电化学检测也表明纳米结构的CuCo 2 S 4 颗粒具有高的比容量 [ 6 ] 。不仅如此，CuCo 2 S 4 纳米材料在循环10圈后还表现出容量不减反而增加的“超容量”现象，这是因为Co元素对“超容量”现象的产生具有催化作用。 与此同时，CuCo 2 S纳米材料具有相对更高的比表面积 [ 6 ] ，其颗粒直径小，接触更好，这直接使CuCo 2 S 4 电极在比容量、倍率性、循环稳定性方面得到了提升。而作为金属硫化物电极，CuCo 2 S 4 电极相比金属氧化物电极具有更好的电子电导率、机械性能和热稳定性。不仅如此，CuCo 2 S 4 和碳材料的复合材料也展现出电化学性能方面的潜力。Rakesh等 [ 7 ] 合成了CuCo 2 S 4 原位碳包裹复合材料，并发现与纯CuCo 2 S 4 相比其具有更低的电荷转移电阻，在0.2 C(电流密度为137 mA∙g −1 )的速率下下循环30次后CuCo 2 S 4 原位碳包裹复合材料高出了195 mAh∙g −1 的容量。而Nie等 [ 8 ] 合成出花状CuCo 2 S 4 纳米片/石墨烯(CCS-G)复合材料，不仅全方面地表现出更高的可逆容量、循环稳定性等优越性能，而且在1C的高电流密度下，CCS-G在500次循环后仍保持高达866.3 mAh∙g −1 的比容量。 综上所述，CuCo 2 S 4 电极在电化学检测中表现出高比容量、高倍率性、高循环寿命等特点，证明了它作为高性能储能电极材料的巨大潜力。 3.5. 太阳能电池中的应用 在传统能源的消耗和全球环境问题日益增长的大背景下，再生能源的研究引起了全球范围内科研工作者们的研究兴趣。而太阳能电池由于其优越的优势，被认为是最有前景的能源转换装置之一。Luo等 [ 36 ] 发现以三元钴基硫化物可以作为传统太阳能电池反电极的有效替代物。用CuCo 2 S 4 替代了传统的太阳能电池反电极，在与多硫化物电解质结合使用时，发现其就有高度的催化活性，性能上能和Cu 2 S媲美并超越了Co 3 S 4 。同时，考虑在实际生产中CuCo 2 S 4 纳米材料制备成本较低，也证明了其在太阳能电池应用方面有好的前景。