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北理工团队在石墨炔的化学键转换产电领域取得原创性发现


材料是人类文明的物质基础和先导,是人类认识和改造自然的工具。材料的开发和应用是人类社会文明和进步的一个重要里程碑。这其中,材料的转化一直是科学家们非常感兴趣的,特别是一些新的概念、现象和科学发现。

近日,新葡亰8883ent化学与化工学院陈南副教授团队在石墨炔(GDY)材料研究领域取得了一项原创性发现。团队成员提出并验证了GDY化学键转换(烯-炔转换,acetylenic-alkenic conversion)诱导的小分子之间电子转移的生成机制。气态H2O分子通过定向扩散穿过GDY框架结构时,与GDY的炔键之间发生电子转移而产生感应电信号。此外,气态H2O分子构成水气的相对湿度和温度以及气体的类型(NH3、HCl)也会影响感应电信号输出。与之前报道的从复杂环境(如太阳能、摩擦电和压电)获取能量的方法不同,这种发电技术利用GDY中独特的化学键诱导电子转移并直接获得感应电,将其周围存储的巨大能量转换为电能。这种源于化学键转换的独特电现象可能为新能源研究提供了一个未开发的领域,并帮助我们更好地理解发电的本质。

图1. GDY薄膜的制备和器件特性。(a-d) GDY薄膜的表征。(e-g) GDY薄膜装置的构成。(h) H2O分子穿过GDY框架结构的示意图。

图2. (a-d) GDY薄膜发电装置的核心结构、产生规律的脉冲电信号的情况及影响因素。(e-h) GDY结构片段与H2O分子配位引起的电子转移和炔烃转化的机制示意图及相关理论计算。(i-l) 温度和分子种类对产电信号的影响。

GDY中具有特殊分子结构和化学键的产电现象的发现,为能量形态变化的发展开辟了新的方向,促进了新能源的开发和实践。此外,感应电在未来有潜力用作能量转换和电能储存,以及用于快速检测和识别特定系统中的某些小分子。这一重要的研究成果以“Chemical bond conversion directly drives power generation on the surface of graphdiyne”为题发表在《物质》期刊上( Matter , 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.06.045)。本工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、新葡亰8883ent创新人才科技资助专项计划(青拔)等多个项目的资助。文章的第一和通讯作者是陈南副教授,第一单位为新葡亰8883ent。


附个人简介:

陈南,新葡亰8883ent化学与化工学院副教授,博士生导师。专注于无机纳米化学为基础的交叉科学,具体涉及π共轭体系的碳基杂化材料/结构及其在能量转化等领域的研究与应用。作为第一/通讯作者在 Angew. Chem. Int. Ed. 、Nat. Commun. 、Adv. Mater. 、ACS Nano 、ACS Energy Lett. 、Adv. Func. Mater. 等国际权威SCI学术刊物上发表论文40余篇。申请/授权中国、日本、美国专利7项。

主页:https://cce.bit.edu.cn/docs/2021-10/5aa13d5af2f94900b825ed956d0c9ae8.pdf


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