吉林大学苏忠民/东北师范大学臧宏瑛AM: 富电子多金属氧酸盐团簇的分子设计实现智能储能

共同第一作者：王晨、段晓征

通讯作者：臧宏瑛、苏忠民

通讯单位：吉林大学、东北师范大学、中科院长春应用化学研究所

论文DOI：10.1002/adma.202500114

图1 CuMo₁₆结构图

通过溶剂热法制备了十三电子还原的钼氧簇分子结构CuMo₁₆，电化学反应过程中，CuMo₁₆表现出增强的电子获得/损失能力。对CuMo₁₆进行了Hirshfeld表面分析，能隙分析及电子转移分析，表明CuMo₁₆具有优异的化学活性。CuMo₁₆结构中存在丰富的氢键，O…H/H…O比率为32.7%。利用前沿分子轨道理论计算了各种电荷态的能量和能隙以研究CuMo₁₆的反应活性。CuMo₁₆的计算能隙为0.05 eV，表明CuMo₁₆表现出高化学活性。

图2 CuMo₁₆-MA-PVA-x凝胶材料的图片，表征与质子传导性能测试

为了评价富电子团簇CuMo₁₆在柔性电子器件中的应用，在室温下制备了一系列含有不同量CuMo₁₆的水凝胶材料CuMo₁₆-MA-PVA-x。水凝胶材料在挤压、扭曲和拉伸后可以容易地恢复到其初始形状，同时表现出优异且可重复的粘附性。室温条件下CuMo₁₆-MA-PVA-50表现出最优的质子传导率2.42 mS cm^-1。

图3 CuMo₁₆-MA-PVA-x凝胶材料的分子动力学模拟

分子动力学模拟显示，CuMo₁₆显著增强了柔性电子器件的智能存储性能，CuMo₁₆含量的分子调控为优化柔性电子器件提供了有效策略。该研究为开发基于集群的智能储能系统奠定了基础。

图4 CuMo₁₆质子传导和CuMo₁₆-MA-PVA-50水凝胶材料的可穿戴电化学检测

我们使用CuMo₁₆-MA-PVA-50水凝胶材料作为柔性可穿戴设备，以评估其在人体运动检测方面的潜力。通过将CuMo₁₆-MA-PVA-50连接到手指、手腕和喉咙，重复吞咽、手腕弯曲和手指运动等活动会引起实时电化学信号，可用于人体行为检测。

图5可充电器件性能图

使用聚苯胺电极，CuMo₁₆-MA-PVA-50水凝胶材料作为电解质组装柔性可充电器件，最大比电容可达到194.19 mAh g^-1，能量密度为97.1 Wh kg^-1，功率密度为500 W kg^-1。2500次充放电循环后电容保持率可达到68.2%，表现出优异的持续使用稳定性。并且在温度范围-20℃到60℃都表现出一定的电存储能力，可满足不同温度下的电储存需求。

成功合成十三个富电子ε-Keggin团簇H₁₃[C₂H₈N₆]₆[Cu^IMo^V₁₂Mo^VI₄O₅₂]·3DMF·1H₂O (CuMo₁₆)。采用简单的共聚方法将CuMo₁₆封装到水凝胶体系中。由此产生的智能存储设备展示了高效的实时人体检测能力以及出色的能量存储性能，这项工作将智能分子设计与先进的智能存储技术无缝结合，为富电子团簇在尖端智能储能电子学中的扩展应用提供了一条有前途的途径。

臧宏瑛，东北师范大学教授、博士生导师、国家优秀青年科学基金获得者。从事多金属氧簇的合成与组装及其在能源转化和存储领域的基础应用研究，包括多金属氧簇基固态材料的离子传导性能，多金属氧簇材料在能源转化（HER，ORR，NRR）中的作用及多金属氧簇为氧化还原媒介的能源存储器件制作等。主持项目包括国家自然科学基金优秀青年基金，面上项目和吉林省科技厅项目等，发表SCI论文100余篇，其研究工作发表在国际高水平杂志Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等。

苏忠民，吉林大学教授、博士生导师。第六、七届国务院学位委员会化学学科评议组成员、教育部跨世纪优秀人才、全国“五一劳动奖章”获得者。吉林大学唐敖庆学者卓越教授、教育部长江学者奖励计划特聘教授。获国家自然科学技术奖二等奖、教育部科学技术奖二等奖、吉林省自然科学奖一等奖、吉林省科技进步奖一等奖。主持完成教育部长江学者创新团队项目、科技部“973计划”、“863计划”项目和国家自然科学基金重点项目等。近年，发表SCI论文280篇，包括Chem. Soc. Rev., Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊。