【能源】化学所李玉良院士/黄长水研究员团队JACS：直接生长石墨炔纳米阵列阴极用于构建和集成智能固态镁-水汽电池
日期：2023-01-08
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55 评论：0 核心提示：智能和多功能电子产品的快速发展对新型智能储能和转换设备的设计提出了重大挑战，这些设备可以自我调节以适应环境变化，同时可以
智能和多功能电子产品的快速发展对新型智能储能和转换设备的设计提出了重大挑战，这些设备可以自我调节以适应环境变化，同时可以有效地提供稳定持久的输出。在这方面，已经提出了一些策略，将储能单元和智能功能元件集成到单个设备中。例如，一些智能刺激响应设备是通过在电池中引入拉伸性/压缩性、自我修复能力、光电效应和热响应等特定功能来实现的。但是，复杂的设备配置、低灵敏度和安全性等问题往往限制了这些设备的实际应用。为了实现高性能的智能多功能储能和转换设备，一个重要的考虑因素是使用与这些设备的工作原理和结构相匹配的合适材料，而碳基材料具有优异的导电性、热稳定性和电化学稳定性、高比表面积、固有的结构柔韧性和易于化学功能化等优势，是开发下一代多功能智能设备的有理想材料。
鉴于此，
中国科学院化学研究所李玉良
院士和
黄长水
研究员提出了
原位生长石墨炔（GDY）纳米阵列（GDY/MS）直接作为多功能阴极构建湿度和太阳光连续控制的智能响应固体镁-水汽电池（GSMB）的策略。
这种新型石墨炔基
GSMB
突破了传统的电池结构设计，实现了固态电池的快速构建。石墨炔
独特的炔键结构结构、优异的催化和半导体性能
赋予了其在捕获和运输水分子、电催化和太阳能转换方面具有突出的优势。这种具有智能能源管理模式的电池可以作为自供电双功能传感器，用于实时监测人体呼吸、光学传感器和光电能源系统。
GSMB原理如图2所示，当电池置于水汽中时，由于石墨炔二维平面的多孔结构和独特的炔键结构对水分子的吸附能相对较低，石墨炔基阴极能够快速吸附水分子并运输到金属表面诱导Mg的氧化，生成
Mg
2+
并释放电子。电子将通过外部电路传输，诱导捕获的水分子还原为
H
2
和
OH
-
，
Mg
2+
与
OH
-
结合形成Mg(OH)
2
，从而建立电化学循环。放电电流密度为20 mA
g
-1
时，电池的比容量为787.6 mA h
g
-1
，能量密度为411.0 mWh
g
-1
。GSMB的开路电压以及电池容量与湿度呈正相关，当湿度为99%时，开路电压可以达到最大值~1.4 V，随着湿度下降，开路电压也随之下降。
石墨炔独特的共轭结构和天然带隙使其能够在光照下产生电子-空穴对，揭示了这种高度sp杂化碳在未来光电应用中的巨大潜力。之前的研究已表明，石墨炔可以在光激发的条件下促进电催化析氢动力学过程。因此，太阳光照能促进GSMB放电电压的增加，意味着这种新型结构的固态电池能够捕获和利用太阳能发电，表明GSMB不仅实现了从光能到电化学能的转换，而且在自供电可见光光电探测器中也具有应用潜力。
同时，GSMB可以作为自供电设备，实时监测呼吸频率和深度，显示出<0.24 s的超快响应时间和<0.16 s的恢复时间。吹气导致了ΔI/
I
0
急剧增加到366，意味着GSMB的灵敏度超过了目前报告的大多数呼吸/湿度传感器。这些结果证实了石墨炔独特的纳米结构和催化/光电性能赋予了石墨炔在多功能智能能源器件中的巨大应用潜力，并为开发下一代自供电设备和智能电子设备提供了良好的启发。
图4. GSMB作为自供电传感器用于实时监测人体呼吸
Directly Growing Graphdiyne Nanoarray Cathode to Integrate an Intelligent Solid Mg-Moisture Battery
Xinlong Fu, Feng He, Jingchi Gao, Xingru Yan, Qian Chang, Zhihui Zhang, Changshui Huang, and Yuliang Li
J. Am. Chem. Soc
.,
2022
, DOI: 10.1021/jacs.2c11409
https://www.x-mol.com/university/faculty/15487
https://www.x-mol.com/university/faculty/347370
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