深圳大学陈光明教授课题组：调控优化柔性SWCNT/PPy纳米复合材料电极用于低品位废热回收利用

在热电化学电池（TECs）领域，碳基电极作为一种具有广泛前景且低成本的电极材料，正逐渐受到人们的广泛关注。例如，纳米结构碳材料（如碳纳米管和石墨烯）具有高比表面积，为氧化还原反应提供了大量活性位点。这些材料不仅具有优异的导电性和结构稳定性，还拥有氧化还原对的快速电荷转移动力学，有助于提高界面交换电流密度，从而显著增强TECs的输出功率。然而，碳基电极在TECs应用中的主要缺陷在于复杂的制备工艺和固有的疏水性，这阻碍了电解质的扩散和离子传输。

针对上述问题，深圳大学材料学院陈光明教授课题组采用了单壁碳纳米管（SWCNTs）作为骨架，并通过简易方法制备了具有可控厚度的自支撑膜。接着，通过电化学沉积法在SWCNTs薄膜上沉积聚吡咯（PPy）纳米球，调整薄膜的表面形态和亲水性，最终制备出一种纳米有机/无机复合膜电极。该复合膜电极能够促进电解质-电极界面的载流子传输和转移，从而提高TECs的输出功率。

在使用FeCl₃/FeCl₂作为电解液、SWCNTs/PPy-50s作为电极的TEC中，其在30 K下的输出功率达到了2.555 μW（图1），高于以Pt和SWCNTs作为电极的TEC（2.298 μW/和2.124 μW）。SEM图像（图2）显示，沉积时间为50秒的SWCNTs上覆盖了一层厚度适中的PPy涂层。该涂层结构可以增加电化学活性表面积，并且PPy还可为氧化还原反应提供额外的催化作用。这有助于促进离子向电极表面的传输以及穿越电解质-电极界面的电子转移，从而使该电极呈现出更高的CV峰值电流和更窄的ΔEp（图3）。然而，过长的沉积时间会导致PPy团聚严重，反而会提高其电荷转移电阻。

图1. 在10 K、20 K和30 K的温差下，不同电极的TECs的输出电压/功率-输出电流图。(a-c) Pt；(d-f) SWCNT；(g-h) SWCNTs/PPy-50s。

图2. (a-e)纯SWCNTs电极及不同PPy沉积时间的复合电极的SEM图像。(f)纯SWCNTs电极和不同PPy沉积时间的复合电极的XRD图谱。(g)纯SWCNTs电极和SWCNTs/PPy-50s复合电极的拉曼光谱。(h) SWCNTs/PPy-50s复合电极的XPS N 1s谱。

图3. (a)三电极测试装置的示意图。(b-d) SWCNTs/PPy-50s、Pt和SWCNTs电极在5、20和50 mV s^-1的扫描速率下的CV曲线。(e-g)扫描速率为5、20和50 mV s^-1时，SWCNTs/PPy-30s、SWCNTs/PPy-100s、SWNTs/PPy-300s、SWCNTs/PPy-600s、Pt和SWCNTs电极的CV曲线。(h)各种电极之间CV峰值电流的对比。

综上所述，该研究成功制备了一种纳米有机/无机复合膜电极，利用SWCNT和PPy纳米球，优化了碳基电极的表面形貌和亲水性，解决了传统碳基电极在TECs中应用的局限性。实验结果表明，这种复合膜电极在TEC中的性能优于Pt和SWCNTs电极，为TECs提供了一种新型高性能电极材料。该成果以“Flexible nanocomposite electrodes with optimized hybrid structure for improved low-grade heat harvest via thermocells”为题，在线发表于Science China Chemistry 上（doi：10.1007/s11426-023-1567-0）。

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【通讯作者简介】

陈光明，深圳大学特聘教授，博士生导师。一直从事聚合物/无机粒子纳米复合材料领域研究。近10余年聚焦于有机/无机复合热电材料与柔性器件设计，并探讨其在柔性与可穿戴电子、传感和物联网等领域的应用。负责国家自然科学基金委、科技部和深圳市等项目20余项，发表期刊论文190余篇，在《Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology》（第2版）发表专论1章。担任/曾任Nano-Micro Lett.（影响因子：23.655）编委、RSC Adv.副主编、Compos. Commun. “复合热电材料”主题专刊客座编辑等。

刘卓鑫，深圳大学材料学院助理教授、特聘副研究员，硕士生导师，深圳市海外高层次人才（B类）。主要从事的研究领域为柔性能源器件，包括水系金属离子电池、热化学电池、有机/无机复合热电器件等。承担国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省普通高校青年创新人才等项目，在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、CCS Chem.等学术期刊上发表论文60余篇，获引用10000余次，h-index为46，入选科睿唯安2022年度全球高被引科学家。授权美国专利2项和中国专利1项，担任Frontiers in Chemistry期刊副主编（polymer chemistry）、Journal of Energy Chemistry期刊青年编委。

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