北理工團隊在石墨炔的化學鍵轉換產電領域取得原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)
發(fā)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(fā)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(xiàn)象和科學發(fā)現(xiàn)。
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(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。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(tài)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(fā)生電子轉移而產生感應電信號。此外，氣態(tài)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(huán)境（如太陽能、摩擦電和壓電）獲取能量的方法不同，這種發(fā)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(xiàn)象可能為新能源研究提供了一個未開發(fā)的領域，并幫助我們更好地理解發(fā)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(fā)電裝置的核心結構、產生規(guī)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(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為能量形態(tài)變化的發(fā)展開辟了新的方向，促進了新能源的開發(fā)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(tǒng)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(fā)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(chuàng)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(fā)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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