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2023

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西安交大《ACS ANM》：二維納米流體梯度氧化石墨烯膜作為便攜式電源

作者:

隨著傳統的化石能源和儲能技術逐漸無法滿足未來便攜式柔性電子設備的需求，人們對小尺寸、高能量密度和耐用性的電源研究越來越感興趣。本文，西安交通大學張磊教授團隊在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊發表名為“Two-Dimensional Nanofluidic Gradient Graphene Oxide Membranes as Portable Power Sources”的論文，研究受生物物種細胞膜電位的啟發，我們通過沿水平方向沿層間間距的大小順序集成一系列氧化石墨烯（GO）和還原GO（rGO）來展示二維納流體梯度結構（TNGS）。

　　通過對吸濕性CaCl2鹽的不對稱吸附，在TNGS中構建了持續的內置吸濕梯度。在內置吸濕梯度的驅動下，TNGS不僅提供質子濃度梯度，而且促進了Ca2+的選擇性遷移。在TNGS和氧化還原反應的協同作用下，Ca2+和質子的定向遷移被轉化為電極上的電能。在濕度環境下，這樣的固態電源（0.9 cm2 × 10 μm）可以輸出超過100小時的電壓約1.35 V，體積功率密度約515 μW cm-3。這一發現為收集濕離子電開辟了一條通用途徑，并為設計便攜式、易于制備且具有成本效益的自供電設備提供了建設性的見解。

圖1.二維梯度納流體結構（TNGS）和能量輸出性能

方案 1.TNGS的制造過程

圖2.電能輸出性能

圖3.影響功率輸出性能的因素

圖4.TNGS的結構特性

圖5.具有不同結構和電極的器件的電壓輸出性能

圖6.實際應用和放大組裝

綜上所述，我們設計了一種TNGS，可以從濕度離子梯度中收集能量，以獲得高效的便攜式電源。這項工作不僅可以為促進氧化石墨烯膜在便攜式自供電設備中的應用提供一種新的有效途徑，而且可以為納流體，離子篩，氧化還原系統，催化劑，以及離子與二維帶電表面的相互作用。此外，探索通過電子或離子束輻照等技術降低氧化石墨烯梯度的潛在途徑有望實現更均勻的納流體梯度結構。這些進步可以提高收集濕離子電的可持續性和效率，為我們領域的未來研究提供一個有趣的話題。

文獻：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01320