梯度掺杂纳米线的研究进展

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：聚吡咯材料具有较多的应用，比如，利用聚吡咯的吸湿性能，可以捕获环境中的湿气，且随着湿度的增强，聚吡咯的离子导通作用占据主导作用。改变外电压，可以调控聚吡咯的掺杂、去掺杂状态以及掺杂水平。以上结果表明，聚吡咯可以作为新的能量转化体系的功能化材料。本节主要基于一维聚吡咯纳米线制备了一种独特的利用单价阳离子迁移实现的纳米线发电机。

目前，许多科学家致力于研究开发新型微纳发电机，试图捕获环境中更多的微弱能量（如机械能、光能和化学能等）并将它们转化为电能。值得庆幸的是，目前已经取得一些研究成果。例如，将无处不在的机械能转化为电能的压电器件的研发；捕获并收集环境中静电的研究“摩擦纳米发电机”的问世等。最近，科学家基于以上理念，试图捕获环境中微弱的湿气变化，提出一种基于氧化石墨烯的“湿度产电”方法，所制备的材料能够利用湿度的自发扩散所产生的化学能转化为电能，因为所有过程都是自发完成的，所以这种器件的电能转化效率较高。这对于未来高稳定性、高效率的电能供应是非常重要的。目前，关于“湿气产电”的研究仅限于石墨烯及其衍生物氧化石墨烯材料，其中一个明显的缺陷是，首先需要制备具有自由基梯度的块状材料并进行复杂的极化过程，由于它们的质量特性，所制材料中可能会出现分布缺陷。另外，由于水分与块状物质相互作用差，因此湿式电纳米发生器的输出功率较低，这些都极大地限制了其实际应用。基于此背景，为了避免块状材料的分布缺陷，验证湿气电力发电机的普适性，以及满足湿气电力发电机的发展需求，开发和研究新的替代材料是非常有必要的。

导电高分子聚合物是一类集导电性与可塑性于一体的功能性材料，被广泛应用于超级电容器、传感器、驱动器和电致变色等电子设备中。其中，聚吡咯因具有较好的可塑性及环境稳定性而备受关注。聚吡咯材料具有较多的应用，比如，利用聚吡咯的吸湿性能，可以捕获环境中的湿气，且随着湿度的增强，聚吡咯的离子导通作用占据主导作用。此外，聚吡咯还可以通过法拉第效应的离子掺杂、去掺杂过程促使电能转化为机械能，并且该过程中的阴离子的掺杂与去掺杂对应聚吡咯的氧化态与还原态。改变外电压，可以调控聚吡咯的掺杂、去掺杂状态以及掺杂水平。以上结果表明，聚吡咯可以作为新的能量转化体系的功能化材料。

本节主要基于一维聚吡咯纳米线制备了一种独特的利用单价阳离子迁移实现的纳米线发电机。由于一维纳米线材料具有高的比表面积、独特的各向异性、快速的轴向电子传输和径向离子扩散等特性，因此其在纳米线/阵列储能器件的组装等方面相较于宏观块体材料以及其他简单结构纳米材料有着独特优势。与之前其他工作中的块状材料相比，不仅省去了复杂的极化过程，而且一维纳米材料还可以更快响应微量水分，促进水分子或其他载体的扩散，有希望为实现环境能量采集提供更有利的机会。

梯度掺杂纳米线的研究进展

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