清华大学化学系曲良体团队《AM》：氧化还原振荡增强的水诱导发电器件

化石燃料的大量使用持续威胁着能源安全，并加剧全球变暖问题。因此，发展可持续的绿色能源已成为推动社会进步的紧迫挑战之一。近年来，基于界面离子运动调控的绿色发电器件与人工智能系统不断涌现。然而，由于界面处的电荷平衡完全依赖离子的吸附和解吸过程，导致离子-电子转换效率较低，在放电过程中出现显著的极化现象，从而造成电信号的快速衰减。这一问题在作为发电器件使用时不容忽视。

受到基于膜电位变化以及葡萄糖氧化/还原反应的生物电现象的启发，清华大学化学系曲良体团队提出了一种氧化还原振荡增强的水诱导发电器件。振荡氧化还原过程不仅促进了界面处的离子-电子转换，还实现了非法拉第电流与法拉第电流之间的协同。因此，该发电器件实现了令人瞩目的峰值电力输出，达到了1.20 mA cm-2，功率密度为0.41 W m-2。在合适的开关触发下，该器件累积输出电荷达17.5 C，且能实现60天稳定输出。该发电器件能够进一步做成柔性单元，适用于便携式及大规模应用场景。这项工作提出了一种基于界面离子迁移的绿色能源器件功率密度提升的新研究方法。该研究以题为“Redox Oscillation Enhanced Water-Enabled Electric Generator”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。论文第一作者为清华大学化学系博士研究生李溥滢，合作者为中国科学院力学所刘峰副研究员。

在固液接触过程中，由于固体表面官能团的电离或表面吸附，固体将带负电或带正电。这意味着当两种具有不同表面特性的材料浸入水中时，材料间会形成电位差。但是，此时只有离子吸附和解吸参与界面电荷平衡，这种非法拉第过程通常表现出较差的离子-电子转换，在放电时面临严重的极化。因此，通过在固液界面处添加氧化还原电对，通过合理的电势分布设计，氧化还原电对可以以“电子海绵”的形式在界面处进行双向的电子转移，实现电输出性能的增强。

氧化还原振荡增强水诱导发电器件的设计示意图

在氧化还原振荡增强策略下，输出电流、负载电压、功率密度和输出能量均明显升高。峰值电流明显高于大部分水诱导发电器件，同时最佳输出电阻与商用电器的匹配度更高。

氧化还原振荡增强水诱导发电器件的电输出性能

在机理方面，通过zeta电位、等酸点和微分电容曲线等验证了水诱导发电过程，并通过电势变化和输出电荷量比较研究了添加氧化还原电对后电极与电对之间的相间电子转移。

不对称带电电极和振荡氧化还原反应

器件中的非法拉第电流和法拉第电流显示出协同作用，而不是简单的相互转换。可能的协同路径如下：1）氧化还原电对和电极之间的电子转移必须在电极表面进行，这导致溶液侧出现非电极电势变化触发的净离子迁移，从而在外部电路中感应出额外的非法拉第电流。通过原位拉曼光谱等对该路径进行了实验验证。2）氧化还原电对和电极之间的电子转移可以促进放电后电极带电状态的恢复。通过理论计算和同位素标记等实验方法对该路径进行验证。

非法拉第电流和法拉第电流的协同作用

最后研究了电极厚度、电解质浓度和温度等因素对电输出性能的影响，并将器件进一步制备成用于便携式发电的柔性器件单元，形成应用验证。

氧化还原振荡增强水诱导发电器件的优化和应用

综上所述，作者报道了一种可促进水诱导发电功率密度提升的氧化还原振荡策略。该策略中的振荡氧化还原反应，不仅能够通过增强界面离子-电子转化来抑制电信号的衰减，还能借助非法拉第电流与法拉第电流之间的协同作用，提升累计放电能力。可以预期，这种氧化还原振荡增强策略将为提升各类依赖界面离子迁移进行发电的绿色能源器件的输出性能，提供一种全新的研究思路和方法。

来源：高分子科学前沿

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