北理工團隊在石墨炔的化學鍵轉換產電領域取得原創性發現
發布日期：2022-07-21 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
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材料是人類文明的物質基礎和先導，是人類認識和改造自然的工具。材料的開發和應用是人類社會文明和進步的一個重要里程碑。這其中，材料的轉化一直是科學家們非常感興趣的，特別是一些新的概念、現象和科學發現。
近日，北京理工大學化學與化工學院陳南副教授團隊在石墨炔（GDY）材料研究領域取得了一項原創性發現。團隊成員提出并驗證了GDY化學鍵轉換（烯-炔轉換，acetylenic-alkenic conversion）誘導的小分子之間電子轉移的生成機制。氣態H2O分子通過定向擴散穿過GDY框架結構時，與GDY的炔鍵之間發生電子轉移而產生感應電信號。此外，氣態H2O分子構成水氣的相對濕度和溫度以及氣體的類型（NH3、HCl）也會影響感應電信號輸出。與之前報道的從復雜環境（如太陽能、摩擦電和壓電）獲取能量的方法不同，這種發電技術利用GDY中獨特的化學鍵誘導電子轉移并直接獲得感應電，將其周圍存儲的巨大能量轉換為電能。這種源于化學鍵轉換的獨特電現象可能為新能源研究提供了一個未開發的領域，并幫助我們更好地理解發電的本質。
圖1. GDY薄膜的制備和器件特性。(a-d) GDY薄膜的表征。(e-g) GDY薄膜裝置的構成。(h) H2O分子穿過GDY框架結構的示意圖。
圖2. (a-d) GDY薄膜發電裝置的核心結構、產生規律的脈沖電信號的情況及影響因素。(e-h) GDY結構片段與H2O分子配位引起的電子轉移和炔烴轉化的機制示意圖及相關理論計算。(i-l) 溫度和分子種類對產電信號的影響。
GDY中具有特殊分子結構和化學鍵的產電現象的發現，為能量形態變化的發展開辟了新的方向，促進了新能源的開發和實踐。此外，感應電在未來有潛力用作能量轉換和電能儲存，以及用于快速檢測和識別特定系統中的某些小分子。這一重要的研究成果以“Chemical bond conversion directly drives power generation on the surface of graphdiyne”為題發表在《物質》期刊上（ Matter , 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.06.045）。本工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北京理工大學創新人才科技資助專項計劃（青拔）等多個項目的資助。文章的第一和通訊作者是陳南副教授，第一單位為北京理工大學。
附個人簡介：
陳南，北京理工大學化學與化工學院副教授，博士生導師。專注于無機納米化學為基礎的交叉科學，具體涉及π共軛體系的碳基雜化材料/結構及其在能量轉化等領域的研究與應用。作為第一/通訊作者在 Angew. Chem. Int. Ed. 、Nat. Commun. 、Adv. Mater. 、ACS Nano 、ACS Energy Lett. 、Adv. Func. Mater. 等國際權威SCI學術刊物上發表論文40余篇。申請/授權中國、日本、美國專利7項。
主頁：https://cce.bit.edu.cn/docs/2021-10/5aa13d5af2f94900b825ed956d0c9ae8.pdf
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