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清華曲良體教授團隊：自發產電的定向還原氧化石墨烯

2018-11-30 15:47:49 作者：本網整理來源：X-MOL資訊，石墨烯資訊分享至：

自然界中能量形式多種多樣，濕氣的自發擴散能是一種新型的綠色能源，廣泛存在于大自然中。清華大學程虎虎博士和曲良體教授團隊采用定向熱還原的方式構建了非對稱的氧化石墨烯，提出了一種新型的能夠從空氣中自發產生電能的發電機。

自然界中能量形式多種多樣，濕氣的自發擴散能是一種新型的綠色能源，廣泛存在于大自然中。隨著科學研究的進步，人類發現非對稱結構在生物體的細胞膜中起著至關重要的作用，它能夠自發產生內建電勢差來維持膜兩側的滲透壓平衡。這一有趣的現象促進了仿生/人工非對稱結構的研究，廣泛應用于離子選擇性輸運、納流體傳感和滲透壓產電等領域。

這種由特殊的非對稱結構誘導產生的內建電勢不需要借助機械運動、光、熱等外在刺激就能夠自發產生電能，是區別于壓電、摩擦起電、熱電和流體發電的一種新型的發電形式。然而，到目前為止，由于復雜的細胞環境以及對合成的材料缺乏有效的結構調控，如何將這種基于非對稱結構自發產生的電勢轉換成可以實際應用的電能仍然是一個巨大的挑戰。

圖1. 非對稱的氧化石墨烯在空氣中自產電示意圖

清華大學程虎虎博士和曲良體教授團隊采用定向熱還原的方式構建了非對稱的氧化石墨烯，提出了一種新型的能夠從空氣中自發產生電能的發電機（圖1）。

圖2. 非對稱氧化石墨烯膜的自發電性能圖

研究人員采用定向熱還原策略構建了非對稱的多孔氧化石墨烯（a-GOM），其由部分熱還原（Pr-GO）和未被還原的氧化石墨烯兩部分組成。其中，Pr-GO層中含氧官能團呈現梯度分布，內部質子表現出濃度差異的特征；而未被還原的GO層則具有均勻的含氧官能團分布，可以提供豐富的質子。基于這種特殊的非對稱結構，在Pr-GO的濃度極化作用下，GO層中大量的質子將自發擴散到含氧官能團較低的一側，從而顯著提高其內部的電荷分離。在未施加任何刺激的情況下，4 mm2 大小的a-GOM放置在大氣環境中便可以自發產生高達450 mV的電壓（圖2）。且表現出良好的穩定性，在大氣環境中自發放電100 h后，依舊可以保持90%的電壓值。

圖3. 產電器件的集成及應用展示

進一步地，通過簡單的器件堆疊組裝方式，將60個產電器件單元串聯可以產高達11.2V的電壓，成功為商用電容器充電并點亮了LCD顯示屏和LED數碼管（圖3）。此外，通過柔性封裝的方式，可以將該產電單元組裝成柔性可折疊的便攜式能量源，為其在柔性電子和可穿戴領域提供了廣闊的應用前景。

該工作通過巧妙的定向熱還原策略，構建了非對稱的氧化石墨烯自發電材料，實現了在大氣條件下的高效自發電，并成功應用于柔性、便攜式電源的集成，為從環境中獲取綠色、環保且可穩定使用的電能提供了新的思路。

這一成果近期發表在Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是博士研究生黃亞鑫，通訊作者為曲良體教授和程虎虎博士。

該論文作者為：Huhu Cheng, Yaxin Huang, Fei Zhao, Ce Yang, Panpan Zhang, Lan Jiang Gaoquan Shi, Liangti Qu原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

Spontaneous power source in ambient air of a well-directionally reduced graphene oxideEnergy Environ. Sci., 2018, 11, 2839-2845, DOI: 10.1039/C8EE01502C

近年來，曲良體教授團隊專注于先進材料和新型微納器件，及在能源、環境等領域的研究與應用，在濕氣產電（hygroelectric generator，HEG）領域開展了大量原創性的工作，并取得了多項重要成果。相關工作發表在《自然通訊》（Nature Communications: 2018, 9，4166）、《先進材料》（Advanced Materials: 2017, 29, 1604972; 2015, 27, 4351;）、《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science: 2018, 11, 1730; 2018, 11, 2839; 2016, 9, 912）、《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition: 2018, DOI:10.1002/anie.201810345; 2018, DOI:10.1002/anie.201808835）、《先進功能材料》（Advanced Functional Materials: 2017, 27, 1703096; 2016, 26, 8784; ）、《納米能源》（Nano Energy: 2018, 46, 297; 2018, 45, 37; 2017, 32, 329）等高水平刊物上，并受邀在《自然綜述-材料》（Nature Reviews Materials: 2017, 2, 17046）、《化學研究述評》（Accounts of Chemical Research: 2017, 50, 1663）、《焦耳》（Joule: 2018, 2, 245）上撰寫綜述多篇。

研究團隊簡介