化學所李玉良院士/黃長水教授《JACS》: 連續濕度和太陽光雙重響應的智能固體鎂-濕度電池

2023年01月01日07:54:02 科學 1875

智能和多功能電子產品的快速發展為設計新型的智能能源儲存和轉換設備提出了重大挑戰，這些設備可以根據環境變化進行自我調節，同時以可靠的方式有效地提供穩定和持久的輸出。但是，一些問題，包括複雜的設備配置、低靈敏度和安全性，往往限制了這些設備的實際應用。此外，複雜的外部環境和多層次的應用也強烈要求對多種刺激類型的智能設備進行實時區分。因此，實現儲能和轉換設備的多功能集成具有重要意義。

近日，中國科學院化學研究所李玉良教授、黃長水教授製備了一種帶有石墨烯納米片陣列的連續濕度和太陽光雙重響應的智能固體鎂-濕度電池（SMB）。集成電池基於石墨烯納米片陣列表面化學鍵轉換的新概念，其中陣列在3D三聚氰胺海綿（GDY/MS）上原位生長所獲得。GDY獨特的結構、優異的催化和半導體性能使GDY/MS在捕獲和轉移水分子、催化HER和利用太陽能方面具有一些突出的特點，這使得GDY/MS成為高性能智能SMB的新一代正極。研究顯示，基於GDY/MS的智能SMB（GSMB）的性能可以通過濕度和太陽光不斷調整，GSMB在開路電位（OCP）和濕度之間顯示出明顯的正相關，而GDY的自然帶隙使其進一步充當光電極，以捕捉光線併產生光電子。因此，GSMB可以作為一個自供電的濕度監測器應用，其超快的響應時間<0.24秒，恢復時間<0.16秒，並且呼吸感應性能靈敏（36600%）。總體而言，這種簡單高效的電池製備策略代表了自供電設備、智能電子設備和智能電池集成的未來發展方向。

文章要點：

1. 這項工作通過實現新興碳同位素石墨烯（GDY）納米片陣列在三維三聚氰胺海綿（MS）骨架上的可控原位生長，製備了一種混合結構材料GDY/MS，並將其直接用作多功能正極，以製備連續響應固體鎂-濕度電池（SMB）。

2. 基於GDY/MS的SMB（GSMB）是由與GDY/MS直接接觸的鎂箔構成的。研究表明，所製備的GDY/MS可以同時作為濕氣敏感單元、催化劑和光電極。GSMB顯示開路電位（OCP）與濕度之間存在顯著的正相關。當相對濕度為90%時，OCP可達到最大值～1.4 V，而能量密度為411.0 mWh g⁻¹。值得注意的是，GDY的自然帶隙使其進一步充當光電極，以捕獲和利用光生成光電子，從而提高輸出電勢，因此輸出電勢顯著增加0.13 V。

3. GSMB可以用作自供電濕度監測器，並顯示出超快的響應時間和靈敏的呼吸傳感性能。這種具有智能能量管理模式的濕度電池可以用作自供電雙功能傳感器，以用於實時監測人類呼吸、光學傳感器和光電能量系統。