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清華曲良體教授團隊：自發(fā)產(chǎn)電的定向還原氧化石墨烯

2018-11-30 15:47:49 作者：本網(wǎng)整理來源：X-MOL資訊，石墨烯資訊分享至：

自然界中能量形式多種多樣，濕氣的自發(fā)擴散能是一種新型的綠色能源，廣泛存在于大自然中。清華大學(xué)程虎虎博士和曲良體教授團隊采用定向熱還原的方式構(gòu)建了非對稱的氧化石墨烯，提出了一種新型的能夠從空氣中自發(fā)產(chǎn)生電能的發(fā)電機。

自然界中能量形式多種多樣，濕氣的自發(fā)擴散能是一種新型的綠色能源，廣泛存在于大自然中。隨著科學(xué)研究的進步，人類發(fā)現(xiàn)非對稱結(jié)構(gòu)在生物體的細胞膜中起著至關(guān)重要的作用，它能夠自發(fā)產(chǎn)生內(nèi)建電勢差來維持膜兩側(cè)的滲透壓平衡。這一有趣的現(xiàn)象促進了仿生/人工非對稱結(jié)構(gòu)的研究，廣泛應(yīng)用于離子選擇性輸運、納流體傳感和滲透壓產(chǎn)電等領(lǐng)域。

這種由特殊的非對稱結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的內(nèi)建電勢不需要借助機械運動、光、熱等外在刺激就能夠自發(fā)產(chǎn)生電能，是區(qū)別于壓電、摩擦起電、熱電和流體發(fā)電的一種新型的發(fā)電形式。然而，到目前為止，由于復(fù)雜的細胞環(huán)境以及對合成的材料缺乏有效的結(jié)構(gòu)調(diào)控，如何將這種基于非對稱結(jié)構(gòu)自發(fā)產(chǎn)生的電勢轉(zhuǎn)換成可以實際應(yīng)用的電能仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖1. 非對稱的氧化石墨烯在空氣中自產(chǎn)電示意圖

清華大學(xué)程虎虎博士和曲良體教授團隊采用定向熱還原的方式構(gòu)建了非對稱的氧化石墨烯，提出了一種新型的能夠從空氣中自發(fā)產(chǎn)生電能的發(fā)電機（圖1）。

圖2. 非對稱氧化石墨烯膜的自發(fā)電性能圖

研究人員采用定向熱還原策略構(gòu)建了非對稱的多孔氧化石墨烯（a-GOM），其由部分熱還原（Pr-GO）和未被還原的氧化石墨烯兩部分組成。其中，Pr-GO層中含氧官能團呈現(xiàn)梯度分布，內(nèi)部質(zhì)子表現(xiàn)出濃度差異的特征；而未被還原的GO層則具有均勻的含氧官能團分布，可以提供豐富的質(zhì)子?；谶@種特殊的非對稱結(jié)構(gòu)，在Pr-GO的濃度極化作用下，GO層中大量的質(zhì)子將自發(fā)擴散到含氧官能團較低的一側(cè)，從而顯著提高其內(nèi)部的電荷分離。在未施加任何刺激的情況下，4 mm2 大小的a-GOM放置在大氣環(huán)境中便可以自發(fā)產(chǎn)生高達450 mV的電壓（圖2）。且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在大氣環(huán)境中自發(fā)放電100 h后，依舊可以保持90%的電壓值。

圖3. 產(chǎn)電器件的集成及應(yīng)用展示

進一步地，通過簡單的器件堆疊組裝方式，將60個產(chǎn)電器件單元串聯(lián)可以產(chǎn)高達11.2V的電壓，成功為商用電容器充電并點亮了LCD顯示屏和LED數(shù)碼管（圖3）。此外，通過柔性封裝的方式，可以將該產(chǎn)電單元組裝成柔性可折疊的便攜式能量源，為其在柔性電子和可穿戴領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用前景。

該工作通過巧妙的定向熱還原策略，構(gòu)建了非對稱的氧化石墨烯自發(fā)電材料，實現(xiàn)了在大氣條件下的高效自發(fā)電，并成功應(yīng)用于柔性、便攜式電源的集成，為從環(huán)境中獲取綠色、環(huán)保且可穩(wěn)定使用的電能提供了新的思路。

這一成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是博士研究生黃亞鑫，通訊作者為曲良體教授和程虎虎博士。

該論文作者為：Huhu Cheng, Yaxin Huang, Fei Zhao, Ce Yang, Panpan Zhang, Lan Jiang Gaoquan Shi, Liangti Qu原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

Spontaneous power source in ambient air of a well-directionally reduced graphene oxideEnergy Environ. Sci., 2018, 11, 2839-2845, DOI: 10.1039/C8EE01502C

近年來，曲良體教授團隊專注于先進材料和新型微納器件，及在能源、環(huán)境等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，在濕氣產(chǎn)電（hygroelectric generator，HEG）領(lǐng)域開展了大量原創(chuàng)性的工作，并取得了多項重要成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications: 2018, 9，4166）、《先進材料》（Advanced Materials: 2017, 29, 1604972; 2015, 27, 4351;）、《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science: 2018, 11, 1730; 2018, 11, 2839; 2016, 9, 912）、《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition: 2018, DOI:10.1002/anie.201810345; 2018, DOI:10.1002/anie.201808835）、《先進功能材料》（Advanced Functional Materials: 2017, 27, 1703096; 2016, 26, 8784; ）、《納米能源》（Nano Energy: 2018, 46, 297; 2018, 45, 37; 2017, 32, 329）等高水平刊物上，并受邀在《自然綜述-材料》（Nature Reviews Materials: 2017, 2, 17046）、《化學(xué)研究述評》（Accounts of Chemical Research: 2017, 50, 1663）、《焦耳》（Joule: 2018, 2, 245）上撰寫綜述多篇。

研究團隊簡介