中原工學院CEJ:高自旋電子助力MOFs摩擦納米發電機

開發新型穩定的金屬有機配位聚合物摩擦電材料對微納電源在自供電系統中的應用具有重要意義。近日，中原工學院邵志超博士和米立偉教授團隊利用離子配體制備了具有高自旋電子的螺旋金屬有機鏈，并通過調整金屬類型增加金屬中心的旋子數量，可以有效地改善摩擦電學性能。研究成果以“A high-spintronic helix metal-organic chain as a high-output triboelectric nanogenerator material for self-powered anticorrosion”為題在《Chemical Engineering Journal》上在線發表。

【圖文導讀】

圖1 螺旋金屬有機鏈晶體結構。

摩擦電納米發電機(TENG)作為一種可持續的微納能源，可應用于自供電傳感器、可穿戴設備、電化學陰極保護、電池和超級電容器等領域，有效緩解日益嚴重的能源危機。在TENG研究中，選擇合適的材料是從根本上提高TENG性能的最有效途徑。與傳統的柔性高分子材料相比，金屬有機配位聚合物精確地將原子整合成具有骨架柔韌性和多功能特性的周期性結構。多層空間結構能夠提供高速載流子離子(電子、空穴、離子)傳輸路徑。這樣可以避免內阻大、內阻輸出電流小的缺點，顯示出優異的輸出性能。這些優點使配位聚合物成為一種有前途的TENG候選材料。

圖2?不同自旋量子數的ZUT-9的摩擦發電行為。

根據麥克斯韋理論，輸出功率與摩擦電荷密度的平方成正比，接觸產生的摩擦電子與靜電感應耦合產生的摩擦電子產生的位移電流決定了TENG的輸出性能。增加摩擦表面電荷密度的能力對于提高相應的性能很重要，而合理設計構件是提高摩擦電材料電荷密度的最有效方法。近年來的研究表明，削弱金屬節點的離子耦合，增加有機橋接配體的靜態感應效應是進一步提高其摩擦電性能和電流輸出性能的有效策略。如果在摩擦電材料設計中引入離子配體，不僅可以有效提高電荷分離程度，而且在配位鍵形成過程中充分保留質子和電子載流子，為摩擦電子的產生和傳輸提供便利條件。

圖3 ZUT-9的光學和磁學表征。

本工作合成了具有高自旋電子的螺旋金屬有機鏈材料。通過調整金屬類型，增加金屬中心的自旋量子數，從而引起二次建筑單元(SBUs)電子環境的幾何變化，有效地調節摩擦電行為。利用高自旋電子帶來的磁化電流與摩擦電子相結合，實現了摩擦納米發電機輸出性能的提升。結合密度泛函理論(DFT)計算的磁性行為結果表明，增加自旋子數量可以顯著減小帶隙，從而影響摩擦電輸出信號。

圖4 ZUT-9制備的摩擦納米發電機用于自供電防腐。

利用ZUT-9作為正極材料制備摩擦納米發電機，在5Hz頻率下，電荷密度達到105.66 μC m^-2。輸出電流能將電容在200 s充電到6V，也可以輕松點亮大量的商用LED燈。將TENG@ZUT-9(Co)產生的電子注入到被保護碳鋼表面以限制腐蝕。附著TENG的碳鋼表面在8小時后仍保持金屬光澤，而沒有TENG的金屬在浸泡實驗4小時后，表面形貌上覆蓋著明顯的紅褐色鐵銹，且隨著浸泡時間的增加，金屬腐蝕更加嚴重。結果表明，TENG@ZUT-9(Co)產生的電子提供了有效的陰極保護。

文章的第一作者是中原工學院青年教師邵志超博士，通訊作者為鄭州大學侯紅衛教授和中原工學院米立偉教授，中原工學院為第一通訊單位。

論文信息：

Zhichao Shao, Junshuai Chen, Kexin Gao, Qiong Xie, Xiaojing Xue, Xue Li, Hongwei Hou, Liwei Mi, A high-spintronic helix metal-organic chain as a high-output triboelectric?nanogenerator material for self-powered anticorrosion,?Chemical Engineering Journal 455 (2023) 140865

文章鏈接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722063458