石墨炔表面化学键转变发电 | Cell Press青促会述评

▲ 点击上方蓝字关注CellPress细胞科学 ▲

物质科学

Physical science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第二十三期（总第107期）专栏文章，由来自中国科学院化学研究所副研究员、中科院青年创新促进会会员左自成，就Matter中的论文发表述评。

不受地理限制、维护成本低的清洁、可再生能源将是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径。随着文明的进步与生产技术水平的提高，融入人类智慧的新型能源形式在主流能源中的比例将逐年增加。众所周知，能量转换在自然界中广泛存在，例如振动能、形变能和生物质能等，以及尚未被科学家发现和利用的其他种类的温和能源，开发和利用这些温和能源形式是近年来科学家们的重要研究领域。就电能而言，正负电荷的有效分离是许多材料和器件产生电能的基本前提。当两个接触的物体快速分离时，总有一部分被转移的电子不会及时返回到原始物体，一个物体因电子过多而带负电，而另一个物体因缺少电子而带正电，利用这种接触—电子转移过程可以实现正负电荷分离而发电。材料的化学组分与空间结构对于实现高效的接触—电子转移过程有决定性影响。

长按图片扫描二维码阅读论文

近日，北京理工大学陈南教授联合中国科学院化学研究所李玉良院士首次利用气体分子（水、氨气、氯化氢）穿过石墨炔孔道时发生的炔-烯互变作用实现高效电荷转移并发电。这种源自化学键转换的独特电现象可能为新能源研究提供了一个尚未探索的领域，帮助我们更好地理解发电的本质。该文章于2022年7月14日发表在Cell Press 旗下期刊Matter上。

▲图1 材料制备表征与器件结构设计

器件结构如图1所示。测试时，石墨炔作为隔膜置于两电极之间，上管口通入氮混合气（分别含水、氨气、氯化氢），下管口通入干燥氮气，通过设备监测通入混合气时器件电流和电压大小的变化。

▲图2 器件电性能表征

当间歇通入湿度为90%的氮气时，可以监测到器件的电流电压变化。循环测试显示该器件能得到稳定的感应电流，感应电流为160 nA·cm^-2， 感应电压为32 mV。石墨炔厚度不同将影响感应电压和电流的大小，最大输出电压为58 mV，最高电流密度高达203 nA·cm^-2。作者使用氨气和盐酸气体代替水气时，发现GDY薄膜也可以产生可观的感应电流和电压。

▲图3 器件作用机理

作者利用DFT计算方法计算了石墨炔炔-烯转变产电机理（图3）。石墨炔中的乙炔键具有较强电负性。H₂O分子可以与乙炔键相互作用，产生电子转移（电荷分离）。当H₂O分子接近炔键时，O原子周围的电子云与炔键相互作用发生电荷转移，导致炔键发生重排形成联烯，而水气中O原子带正电荷并穿过石墨炔膜，电子则通过外电路到达下侧电极形成回路。作者提出的这种源于化学键转化的独特电现象可能为新能源研究提供一个未知的领域，可帮助我们更好地理解发电的本质，同时也为在自然界寻找新的可再生能源提供重要的思路。

论文摘要

不受地理限制、维护要求低的清洁可再生能源的开发是解决能源短缺和环境污染的重要途径。能源转化材料受到科学家的高度关注，特别是一些新概念、新现象和新科学的发现。我们在这里报道了一个基于石墨烯材料的新发现。在H₂O分子的作用下，乙炔键发生转变从而产生可收集的感应电，输出电压为58 mV，电流高达203 nA·cm^-2，展现了一个全新的概念。我们还发展了多种体系，比如使用氨气和盐酸气体代替水气，同样发现石墨炔薄膜可以产生感应电。这种源自化学键转换的独特电现象可能为新能源研究提供了一个尚未探索的领域，有助于我们更好地理解发电的本质。

Clean, infinitely renewable energy sources with low maintenance requirements that are not subject to geographical restrictions will be an important solution to energy shortages and environmental pollution. The conversion of material has been highly scrutinized by scientists, especially the discovery of some new concepts, new phenomena, and new sciences. We describe here an original discovery from graphdiyne (GDY) material. The conversion of acetylenic bonds with the intervention of H₂O molecules generates a collectable induced electricity with an output voltage of 58 mV and a current of up to 203 nA·cm^-2, illustrating an exceptional concept. We demonstrate multiple systems, such as using ammonia and hydrochloride gases to replace moisture, finding that GDY films can generate respectable induced electricity. This unique electrical phenomenon originating from chemical bond conversion potentially provides an unexplored area for new energy research, helping us to better understand the essence of power generation.

向下滑动阅览摘要原文

中文内容仅供参考，请以英文原文为准

评述人简介

左自成

中国科学院化学研究所副研究员

中国科学院青年创新促进会会员

[e-mail]

左自成，中国科学院化学研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员，主要从事石墨炔碳材料、锂离子电池、锂金属电池等方面的研究，在Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy等期刊发表论文70余篇。2019年入选中科院青年创新促进会会员。

Zicheng Zuo is an associate professor in Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS). His research focused on the graphdiyne-based carbon materials, lithium-ion batteries, and lithium metal batteries. He has more than 70 peer-reviewed publications on international journals, including Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nano Energy etc. In 2019, he was selected as a member of Youth Innovation Promotion Association CAS.

向下滑动阅览英文简历

相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊 Matter上，

点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

向下滑动阅览青促会的英文介绍

推荐阅读

▲长按识别二维码关注细胞科学