电子技术的快速发展为新型智能储能和转换设备的设计带来了智能意义和挑战，该设备能够自动调节环境变化，同时以可靠的方式有效地提供稳定和持久的输出。中国科学院化学研究所李玉良院士和黄长水研究员制备了一种具有石墨烯纳米片阵列的连续湿度和太阳光双响应智能固体镁湿气电池（SMB）。该集成电池时基于石墨烯纳米片阵列表面化学键转换的新概念。GDY独特的结构、优异的催化性能和半导体性能赋予了GDY/MS在捕获和转移水分子、催化HER和利用太阳能方面的一些突出特性，使GDY/MS成为高性能智能SMB的新一代正极。相关工作以“Directly Growing Graphdiyne Nanoarray Cathode to Integrate an Intelligent
Solid Mg-Moisture Battery”为题发表在国际著名期刊Journal of the
American Chemical Society上。要点1. 作者首先通过在三维（3D）三聚氰胺海绵（MS）骨架上实现新兴碳同素异形石墨烯（GDY）纳米片阵列的可控原位生长，制备了一种混合结构材料GDY/MS。GDY独特的结构、优异的催化性能和半导体性能赋予了GDY/MS在捕获和转移水分子、催化HER和利用太阳能方面的一些突出特性，使GDY/MS成为高性能智能固体镁水电池（SMB）的新一代正极。要点2. 制备的GDY/MS同时作为湿敏单元、催化剂和光电极。基于GDY/MS直接接触的Mg箔构建的SMB（GSMB）可通过湿度和阳光持续调节。GSMB在开路电位（OCP）和湿度之间显示出显著的正相关，当相对湿度为90%时，OCP可达到最大值～1.4 V，而能量密度为411.0 mWh g−1。GDY的自然带隙使其进一步充当光电极，以捕获和利用光生成光电子，从而提高输出电势，输出电势显著增加0.13 V。要点3. GSMB可用作自供电湿度监测器，显示出超快的响应时间<0.24 s，恢复时间<0.16 s，呼吸感应性能灵敏（36600%）。这种具有智能能量管理模式的湿气电池可以作为一种自供电双功能传感器，用于实时监测人类呼吸、光学传感器和光电能量系统。图1.（a）GDY/MS制备示意图。（b−g）MS（b和c）和GDY/MS（d−g）的SEM图像。（h）GDY/MS中C和N的元素映射。（i−k）GDY纳米片的TEM图像。（l）GDY的SAED模式。（m）柔性GDY/MS照片。图2.（a）GSMB的工作机理和界面过程示意图。（b）不同电流密度下GSMB的比容量。（c）GSMB的恒流放电曲线。（d）浸没在Ar饱和超纯水（湿态）和干燥Ar气氛（干态）中的GSMB的OCP曲线。（e）在环境湿度的帮助下，两个串联的GSMB的光学图像点亮了一个红色LED。（f）OCP与RH的相对关系。（g）在10 mA g-1下，不同RH值下的比容量和平均放电电势。。图3.（a）太阳光照射下的GSMB结构。（b）阳光促进放电过程的机理。（c）GDY的UV-vis漫反射光谱和（d）相应的Tauc图。（e）GDY的Mott−Schottky图。（f）间歇性照明下的光电流。（g）不同电流密度（1−50 mA g-1）下的GSMB放电曲线，有照明和无照明。（h）间歇光照下GSMB的放电曲线。图4.（a）GDY的结构特征和GSMB的基本原理和催化过程示意图。（b）不同条件下GDY在水中的吸附能。（c）不同条件下HER的GDY自由能图。图5.（a、b）GSMB湿度监测过程示意图。（c）监测深呼吸的电流响应。（d）GSMB与其他报告的呼吸或湿度传感器的比较。Directly Growing
Graphdiyne Nanoarray Cathode to Integrate an Intelligent Solid Mg-Moisture
Battery
Xinlong Fu, Feng He, Jingchi Gao,
Xingru Yan, Qian Chang, Zhihui Zhang, Changshui Huang,* Yuliang Li*DOI: 10.1021/jacs.2c11409
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