赵扬特别研究员、曲良体教授， Small研究：在活植物中构建全植物小型超级电容器

第一作者：高畅

通讯作者：赵扬*，曲良体*

单位：北京理工大学，清华大学

生物质能储能装置(BESDs)以其生物可降解性、生物相容性和低成本等优点，有望取代基于传统的石油或合成化学材料的电子器件而备受关注。然而，大多数生物质能储能装置几乎都是由重组植物材料和外源化学添加剂组成的，这不利于发挥活植物的自主和广泛分布的优势。在此，我们报道了一种全植物基小型超级电容器(APCSC)，不含任何非同源添加剂。这种在活植物中形成的超级电容器利用其组织液电解质作为电子植物(e-plant)的一种形式，呈现出令人满意的182.5 mF/cm²的电容，高于之前报道的基于生物质的微型超级电容器。此外，该装置的所有成分均来自同一植物，有效避免了与其他外来物质的生物不相容，对植物的生长几乎没有危害。这种电子植物不仅可以建在芦荟中，也可以建在大多数多肉植物中，如沙漠中的仙人掌，可以为极端条件下的人们提供及时的电力供应。我们相信这项工作将丰富电子植物的应用，并为智能植物学，林业和农业提供启示。

近日，来自北京理工大学的赵扬特别研究员与清华大学的曲良体教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“All Plant-Based Compact Supercapacitor in Living Plants”的研究文章。该研究文章使用芦荟作为研究对象，在活植物中构建电容器，得到了优越的电化学性能，同时研究了其对活植物生长微弱的影响以及在其他多肉类植物的正常使用。

这种全植物型小型超级电容器(APCSC)完全由生物质组成，不含任何外源添加剂。在APCSC中使用生物材料具有突出的优势，包括可生物降解性，易于获取和低成本。此外，由于构建APCSC的材料是从芦荟本身提取的，所以没有引入生物不相容的化合物。APCSC在芦荟植株内表现出令人满意的182.5 mF/cm²的电容，高于所有报道的生物质基微型超级电容器，并且在植入后不会对芦荟的正常活动造成损害。

APCSC的高电容性能可归因于其三维分层多孔碳结构、芦荟碳中的活性材料和芦荟凝胶电解质。三维分层多孔结构有利于在多孔芦荟电极内发生的一系列过程，芦荟炭的大孔缩短了离子扩散到内表面的距离，中孔为离子在多孔结构中的扩散提供了低阻通道，微孔极大地提高了双电层容量。芦荟碳中的CaO、MgO和CaS等活性物质对电容也起着至关重要的作用。芦荟凝胶由各种维生素、多糖、氨基酸、矿物质和大量的水组成，使其可以成为超级电容器的极佳电解质，因为这些组分可以为APCSC的电容提供充足的电荷。

APCSC不仅可以在芦荟中构建，也可以在其他植物中构建，如仙人掌和其他多肉植物，只要这些植物体内含有足够的水分。这些植物与小型超级电容器结合在一起，代表了一种新型的电子植物，它具有独特的功能，包括照明、装饰和作为植物充电器的能力。得益于多肉植物，尤其是仙人掌的旺盛生命力，电子植物即使在沙漠和冰川等极端条件下也能茁壮成长。在需要的时候，这些电子植物可以为便携式电子设备供电。这一突破性的概念不仅为小型储能设备领域开辟了新的可能性，而且也为智能植物学、林业和农业的进步带来了希望。

赵扬 特别研究员简介：北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。主要从事共轭碳基纳米材料包括石墨烯、导电聚合物等的设计与调控及其在多功能（微）能源器件等领域的研究。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等国际重要刊物发表SCI论文100多篇，文章引用次数达万余次。主持国家自然科学基金面上项目、GF基础加强领域基金项目、北京市自然科学基金项目等，同时参与多项国家重大基础研究发展（973）计划课题、重点研发计划项目、军口预研项目等。

曲良体 教授简介：围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，例子包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Science, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文300多篇，论文他引三万余次，单篇论文最高他引超3000次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文30余篇，专著1部，国际国内发明专利40余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。曾主持科技部重点研发计划、国家基金委重点项目等多项。

高畅，2019-2022年在北京理工大学化学专业攻读博士学位，2022年7月入职北京交通大学电子信息工程学院，主要研究方向为无线充电与储能集成化微型器件，目前以第一作者身份在Nature Communications, Journal of Materials Chemistry A, Small, Nano micro letters, ChemSusChem等期刊发表多篇论文。

投稿请联系contact@scimaterials.cn