智能和多功能電子產(chǎn)品的快速發(fā)展為設(shè)計(jì)新型的智能能源儲存和轉(zhuǎn)換設(shè)備提出了重大挑戰(zhàn)，這些設(shè)備可以根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，同時以可靠的方式有效地提供穩(wěn)定和持久的輸出。但是，一些問題，包括復(fù)雜的設(shè)備配置、低靈敏度和安全性，往往限制了這些設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用。此外，復(fù)雜的外部環(huán)境和多層次的應(yīng)用也強(qiáng)烈要求對多種刺激類型的智能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時區(qū)分。因此，實(shí)現(xiàn)儲能和轉(zhuǎn)換設(shè)備的多功能集成具有重要意義。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良教授、黃長水教授制備了一種帶有石墨烯納米片陣列的連續(xù)濕度和太陽光雙重響應(yīng)的智能固體鎂-濕度電池（SMB）。集成電池基于石墨烯納米片陣列表面化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換的新概念，其中陣列在3D三聚氰胺海綿（GDY/MS）上原位生長所獲得。

GDY獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的催化和半導(dǎo)體性能使GDY/MS在捕獲和轉(zhuǎn)移水分子、催化HER和利用太陽能方面具有一些突出的特點(diǎn)，這使得GDY/MS成為高性能智能SMB的新一代正極。研究顯示，基于GDY/MS的智能SMB（GSMB）的性能可以通過濕度和太陽光不斷調(diào)整，GSMB在開路電位（OCP）和濕度之間顯示出明顯的正相關(guān)，而GDY的自然帶隙使其進(jìn)一步充當(dāng)光電極，以捕捉光線并產(chǎn)生光電子。

因此，GSMB可以作為一個自供電的濕度監(jiān)測器應(yīng)用，其超快的響應(yīng)時間<0.24秒，恢復(fù)時間<0.16秒，并且呼吸感應(yīng)性能靈敏（36600%）?？傮w而言，這種簡單高效的電池制備策略代表了自供電設(shè)備、智能電子設(shè)備和智能電池集成的未來發(fā)展方向。

文章要點(diǎn)：

1. 這項(xiàng)工作通過實(shí)現(xiàn)新興碳同位素石墨烯（GDY）納米片陣列在三維三聚氰胺海綿（MS）骨架上的可控原位生長，制備了一種混合結(jié)構(gòu)材料GDY/MS，并將其直接用作多功能正極，以制備連續(xù)響應(yīng)固體鎂-濕度電池（SMB）。

2. 基于GDY/MS的SMB（GSMB）是由與GDY/MS直接接觸的鎂箔構(gòu)成的。研究表明，所制備的GDY/MS可以同時作為濕氣敏感單元、催化劑和光電極。GSMB顯示開路電位（OCP）與濕度之間存在顯著的正相關(guān)。當(dāng)相對濕度為90%時，OCP可達(dá)到最大值～1.4 V，而能量密度為411.0 mWh g?1。值得注意的是，GDY的自然帶隙使其進(jìn)一步充當(dāng)光電極，以捕獲和利用光生成光電子，從而提高輸出電勢，因此輸出電勢顯著增加0.13 V。

3. GSMB可以用作自供電濕度監(jiān)測器，并顯示出超快的響應(yīng)時間和靈敏的呼吸傳感性能。這種具有智能能量管理模式的濕度電池可以用作自供電雙功能傳感器，以用于實(shí)時監(jiān)測人類呼吸、光學(xué)傳感器和光電能量系統(tǒng)。

圖1材料制備及表征



圖2 GDY/MS直接用作SMB正極時的性能



圖3 GSMB的光響應(yīng)行為



圖4 GSMB作為自供電系統(tǒng)將濕度轉(zhuǎn)換為電信號的可行性






審核編輯：劉清