连续湿度和太阳光双重响应的智能固体镁-湿度电池

智能和多功能电子产品的快速发展为设计新型的智能能源储存和转换设备提出了重大挑战，这些设备可以根据环境变化进行自我调节，同时以可靠的方式有效地提供稳定和持久的输出。但是，一些问题，包括复杂的设备配置、低灵敏度和安全性，往往限制了这些设备的实际应用。此外，复杂的外部环境和多层次的应用也强烈要求对多种刺激类型的智能设备进行实时区分。因此，实现储能和转换设备的多功能集成具有重要意义。

近日，中国科学院化学研究所李玉良教授、黄长水教授制备了一种带有石墨烯纳米片阵列的连续湿度和太阳光双重响应的智能固体镁-湿度电池（SMB）。集成电池基于石墨烯纳米片阵列表面化学键转换的新概念，其中阵列在3D三聚氰胺海绵（GDY/MS）上原位生长所获得。

GDY独特的结构、优异的催化和半导体性能使GDY/MS在捕获和转移水分子、催化HER和利用太阳能方面具有一些突出的特点，这使得GDY/MS成为高性能智能SMB的新一代正极。研究显示，基于GDY/MS的智能SMB（GSMB）的性能可以通过湿度和太阳光不断调整，GSMB在开路电位（OCP）和湿度之间显示出明显的正相关，而GDY的自然带隙使其进一步充当光电极，以捕捉光线并产生光电子。

因此，GSMB可以作为一个自供电的湿度监测器应用，其超快的响应时间<0.24秒，恢复时间<0.16秒，并且呼吸感应性能灵敏（36600%）。总体而言，这种简单高效的电池制备策略代表了自供电设备、智能电子设备和智能电池集成的未来发展方向。

文章要点：

1. 这项工作通过实现新兴碳同位素石墨烯（GDY）纳米片阵列在三维三聚氰胺海绵（MS）骨架上的可控原位生长，制备了一种混合结构材料GDY/MS，并将其直接用作多功能正极，以制备连续响应固体镁-湿度电池（SMB）。

2. 基于GDY/MS的SMB（GSMB）是由与GDY/MS直接接触的镁箔构成的。研究表明，所制备的GDY/MS可以同时作为湿气敏感单元、催化剂和光电极。GSMB显示开路电位（OCP）与湿度之间存在显著的正相关。当相对湿度为90%时，OCP可达到最大值～1.4 V，而能量密度为411.0 mWh g−1。值得注意的是，GDY的自然带隙使其进一步充当光电极，以捕获和利用光生成光电子，从而提高输出电势，因此输出电势显著增加0.13 V。

3. GSMB可以用作自供电湿度监测器，并显示出超快的响应时间和灵敏的呼吸传感性能。这种具有智能能量管理模式的湿度电池可以用作自供电双功能传感器，以用于实时监测人类呼吸、光学传感器和光电能量系统。

图1 材料制备及表征



图2 GDY/MS直接用作SMB正极时的性能



图3 GSMB的光响应行为



图4 GSMB作为自供电系统将湿度转换为电信号的可行性 






审核编辑：刘清