新奇！李玉良院士最新JACS，石墨炔助力新型智能电池！

以下文章来源于邃瞳科学云 ，作者十一

  第一作者：Xinlong Fu

通讯作者：李玉良院士，黄长水

通讯单位：中国科学院化学研究所

论文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.2c11409

  全文速览  

目前，基于碳基材料的多功能集成储能和转换装置的报道非常少，且具有挑战性。作者报道了具有石墨炔纳米片阵列的智能固态镁-湿度传感电池 (SMB)，它能对湿度和太阳光光强连续响应。该集成电池在 3D 三聚氰胺海绵上原位生长石墨炔纳米片阵列 (GDY/MS)，其工作原理基于阵列表面的化学键转换的新概念。GDY独特的结构、优异的催化性能和半导体特性，赋予了GDY/MS在水分子捕集和转移、催化HER、利用太阳能等方面突出的能力，使GDY/MS成为新一代高性能负极材料。基于 GDY/MS 的智能 SMB (GSMB) 的性能可以通过湿度和太阳光进行连续调整。GSMB 的开路电位（OCP）和湿度之间表现出正相关关系，而GDY的天然带隙使其可以进一步作为光电极捕获光并产生光电子。GSMB 可用作自供电湿度传感器，其具有 <0.24 秒的超快响应时间、<0.16 秒的恢复时间和灵敏的呼吸传感性能 (36,600%)。这种简单高效的电池制造策略代表了未来自供电设备、智能电子设备、智能集成电池的新发展方向。

  背景介绍  

智能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。这些设备可以根据环境变化进行自我调节，同时以可靠的方式有效地提供稳定且持久的输出。在这方面，研究人员已经提出了一些有趣的策略，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将可拉伸性/可压缩性、自愈能力、光电效应、和热响应性等特定功能引入电池来实现的。该领域的进展得益于各种功能材料的开发，以及能源器件的设计和结构优化。即便如此，目前仍然存在一些问题（包括复杂的设备结构、低灵敏度和安全性等），经常限制着这些设备的实际应用。此外，复杂的外部环境和多层次的应用，也需要智能设备能够实时区分多种刺激类型。因此，实现储能和转换装置的多功能集成具有重要意义。

为了实现高性能的、智能的、多功能储能和转换装置，研究人员专注于开发与这些装置的工作原理和结构相匹配的合适材料。此类材料能够灵敏准确地感知环境刺激，如光学、机械、热或湿度的变化。聚合物等传统智能材料存在灵敏度低、机械强度差、长期稳定性差等缺点，而无机化合物或金属合金则表现出抗疲劳性差、设计复杂等缺点。因此，研究人员目前仍在探索适合实际应用的材料。值得注意的是，碳基材料具有合适的导电性、热稳定性、电化学稳定性、高比表面积和易于化学官能团化修饰等优点，因此被认为是可用于开发下一代多功能智能设备的材料。尽管碳基材料表现出了上述优点和潜力，但是，目前基于碳基材料的多功能集成储能和转换装置的报道非常少，且具有挑战性。

  图文解析  

图 1. (a) GDY/MS 制备示意图。(b–g) MS（b 和 c）和 GDY/MS (d–g) 的 SEM 图。(h) 在GDY/MS 中，C 和 N 的元素映射图。(i–k) GDY 纳米片的 TEM 图。(l) GDY 的 SAED 图。(m) 柔性 GDY/MS 的照片。

图 2. (a) GSMB 的工作原理示意图。(b) GSMB 在不同电流密度下的比容量。(c) GSMB 的恒电流放电曲线。(d)在浸入 Ar 饱和超纯水（湿态）和干燥 Ar 气氛（干态）下，GSMB 的 OCP 曲线。(e) 两个串联的 GSMB 在环境湿度下点亮了红色 LED。(f) OCP 和 RH 之间的相对关系。(g) 在 10 mA g-1时，不同 RH 值下的比容量和平均放电电位。

图 3. (a) GSMB 在太阳光照下的工作原理示意图。(b) 太阳光促进放电过程的机理示意图。(c) GDY 的 UV-vis 漫反射光谱和 (d) 相应的 Tauc 图。(e) GDY 的莫特-肖特基（Mott–Schottky）图。(f) 间歇照明下的光电流曲线。(g) 在有无光照时，GSMB在不同电流密度 (1–50 mA g-1) 下的放电曲线。(h) GSMB 在间歇光照下的放电曲线。

图 4. (a) GDY的结构特性示意图，以及 GSMB 的基本原理和催化过程示意图。(b) GDY在不同条件下对水的吸附能。(c) 在不同条件下，GDY 对 HER 的自由能图。

图 5. (a 和 b) GSMB 湿度监测过程示意图。(c) 对深呼吸监测的响应。(d) GSMB 与其他报道的呼吸或湿度传感器的性能比较。

  总结与展望  

总的来说，作者设计并展示了基于 MS 上 GDY 纳米片阵列集成的智能固态镁-湿度传感电池，该电池可对湿度和太阳光连续响应。与现有电池相比，GSMB 消除了电解质和隔膜带来的问题，简化了电池结构和组装过程，降低了成本。得益于 GDY 独特的乙炔结构、优异的 HER 性能和易于吸附水分子的特性，GSMB 的性能可以通过湿度和太阳光进行连续调节。GSMB的OCP与湿度呈正相关关系。此外，GDY的天然带隙使其能够作为光电极，用于捕获光并产生光电子，从而提高输出电流。GSMB 可用作自供电湿度传感器，其具有 <0.24 秒的超快响应时间、<0.16 秒的恢复时间和灵敏的呼吸传感性能 (36,600%)。更重要的是，这些结果证实了独特的纳米结构和催化/光电特性赋予了GDY在多功能智能设备方面的巨大潜力。这些结果也展示了电池设备制造的新理念和新技术。这种简单高效的电池制造方法代表了自供电设备和智能电子设备未来的发展方向。

转自：“i学术i科研”微信公众号

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