李玉良院士团队/黄长水研究员团队JACS：直接生长石墨炔纳米阵列阴极构建和组装智能固态镁-水汽电池

第一作者：付新龙

通讯作者：李玉良*，黄长水*

单位：中国科学院化学研究所，中国科学院大学

智能和多功能电子产品的快速发展对新型智能能源储存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，同时可以有效地提供稳定持久的输出。在这方面，已经有一些研究将储能单元和智能功能单元如拉伸性/压缩性、自我修复能力、光电效应和热响应元件，集成到单个设备中。然而，这些设备的实际应用往往由于复杂的设备配置，低灵敏度和安全性等问题受到限制。

为了实现高性能的智能多功能能源储存和转换设备，需要使用与这些设备的工作原理和结构相匹配的合适材料。这些材料需要能够很容易从光、电、磁、机械、热或湿度等信号中感知环境变化或刺激，并对这些刺激做出灵敏而准确的反应。碳纳米材料具有优异的导电性、热稳定性、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。

基于此，化学研究所李玉良院士、黄长水研究员在Journal of the American Chemical Society上发表题为“Directly Growing Graphdiyne Nanoarray Cathode to Integrate an Intelligent Solid Mg-Moisture Battery”的通讯文章。

作者通过原位生长石墨炔（GDY）在纳米阵列三维三聚氰胺海绵上（GDY/MS）作为多功能阴极制备了水汽和太阳光双响应的全固态镁-水汽电池（GSMB）。石墨炔独特的炔键结构、优异的催化和半导体性能赋予了GDY/MS在捕获和运输水分子、催化析氢和利用太阳能方面具有突出的优势。这种具有智能能源管理模式的水汽电池为开发下一代智能电子设备提供了良好的启发和发展方向。

图1：智能固态镁-水汽电池示意图。

在三维三聚氰胺海绵上原位生长了石墨炔纳米阵列，GDY/MS具有互连的开放多孔3D结构，石墨炔纳米阵列显示出厚度约为10nm的多孔结构，有利于空气中微量水分子的吸附和Mg(OH)₂等固体放电产物的容纳。TEM显示石墨炔具有良好的结晶性。

图2：GDY/MS的电镜表征图像。

要点二：构建基于石墨炔的镁-水汽电池

GSMB可以简单地由GDY/MS与镁箔直接接触组成，无需额外的电解质和隔膜。当电池置于潮湿空气中时，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性能，GDY/MS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Mg²⁺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H₂和OH^-，Mg²⁺与OH^-结合形成Mg(OH)₂，从而建立电化学循环。GSMB的开路电压以及电池容量与湿度呈正相关，因此可以通过调节湿度来调节电池的输出。

图3：GSMB原理图和电池性能。

要点三：基于石墨炔镁-水汽电池的光响应性能

石墨炔是一种具有天然带隙的碳材料，能够被光激发并产生电子-空穴对，这种高度sp杂化碳材料显示出在未来光电应用中的巨大潜力。石墨炔在光激发下可以促进HER反应动力学，从而促进GSMB的放电性能。如图4g所示，光照增加了不同放电电流密度下的放电电位，从而提高了GSMB的性能和能量密度。这意味着电池能够捕获和利用太阳能发电，表明GSMB不仅实现了太阳能的收集和到电能的直接转换，而且在自供电可见光光电探测器中也具有应用潜力。

图4：光响应GSMB的原理图及性能。

要点四：自供电湿度传感器的应用

GSMB可以作为自供电设备，实时监测人体呼吸频率和深度，显示出<0.24s的超快响应时间和<0.16s的恢复时间。深度吹气的电流变化ΔI/I₀达到36600%，灵敏度超过了大多数已经报导的呼吸/湿度传感器。

图5：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

李玉良院士简介：中国科学院化学研究所研究员、博士生导师、中国科学院院士。研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。

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