EEM|新加坡国立大学John Wang&上海大学高彦峰：仿“肺泡”结构电致变色电极应对Na+诱导体积膨胀及电化学动力学滞缓问题

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论文信息

研究亮点

通过密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了WO₃量子点（WQDs）在钠化/脱钠过程中伴随的结构膨胀与收缩行为。此外，第一性原理分子动力学（AIMD）模拟及态密度（DOS）分析进一步阐明了钠离子的扩散路径，显示其优先吸附至界面结构，然后扩散至量子点表面。

在生物系统中，肺泡是O₂与CO₂交换的关键场所，其功能依赖于周期性的体积变化，同时与结缔组织和血管的紧密连接对于维持其结构稳定性至关重要。受此生物机制启发，我们设计了一种仿肺泡结构电极，通过W–O–Ti化学键将WO₃量子点稳固锚定在Ti₃C₂ MXene基底上，为提升电极性能提供了创新性的结构设计方案。

研究结果表明，该仿生电极在电致变色性能和电化学性能方面均实现了近一倍的提升。作为概念验证，我们进一步设计并构建了一种集成智能家居系统，成功实现了节能、储能和显示功能的“三合一”效果，为多功能电致变色器件的实际应用提供了新的可能性。

研究背景

电致变色的功能化研究一直是我们课题组的重要研究方向，旨在有效实现节能、储能和显示功能的多重集成化（Nano Energy, 2021, 89: 106356；Nano-Micro Letters, 2023, 15(1): 87；InfoMat, 2022, 4(4): e12298.）。为了加速这一技术从实验室研究向市场规模应用的转化，钠离子（Na⁺）因其低成本和经济可行性，被视为传统锂离子（Li⁺）的有力替代。然而，Na⁺的实际应用仍面临诸多技术挑战，尤其是电化学动力学迟缓和电致变色性能不足等问题尚未得到有效解决。近年来，相较于传统纳米颗粒，量子点凭借其较高的比表面积和快速反应动力学展现出显著优势。在我们此前的研究工作中，我们证明了量子点具有超过万次循环的稳定性，并成功开发了适用于宽温度范围的电解质（Nano Energy, 2020, 68: 104350; InfoMat, 2023, 5(2): e12363.）。然而，在实际应用中，量子点依然面临者团聚现象以及循环过程中不可避免的体积变化等关键问题，亟需进一步解决。

论文简读

鉴于上述研究背景，我们从理论设计并通过实验验证了一种稳定的电极结构，可广泛应用于基于钠离子电解质的电致变色储能器件（SECDs）。该电极以MXene为基底，负载WO₃量子点（WQD），形成了稳固的界面结构（以下简称WQD@MXene）。具体而言，WO₃量子点通过稳定的W-O-Ti化学键牢固地锚定在Ti₃C₂ MXene基底上，在钠化/脱钠过程中有效避免了量子点的聚集，同时保持了结构的稳定性。实验结果证明，与未修饰的WQD电极相比，WQD@MXene电极在电致变色和电化学性能方面均实现了显著提升。其中，循环寿命延长至1000次（vs. 500次循环），面积容量增加至87.5 mAh m⁻²（vs. 43.95 mAh m⁻²），着色时间缩短至3.2秒（vs. 6.0秒），并表现出更大的光学调制范围（71.1% vs. 66.0%）。

密度泛函理论（DFT）计算揭示了WQD在钠化/脱钠过程中体积变化的机制，钠-氧之间成键作用导致量子点体积的显著收缩。此外，第一性原理分子动力学（AIMD）模拟及态密度（DOS）结果解析了钠离子扩散的基本机制。电极界面结构促进了钠离子的快速吸附，同时增强的电子导电性显著改善了电化学动力学。此外，作为概念验证，我们构建了一种集成了不同尺寸SECDs的智能家居系统，包括节能智能窗（10 cm × 15 cm）、储能钠离子电池（5 cm × 5 cm）以及基于像素控制的图案化信息显示器（像素尺寸：1 cm × 1 cm）。这一仿生设计为基于钠离子电解质的电致变色储能器件的研究提供了新的视角，尤其在开发低成本、高效能的钠基电子器件方面具有重要的学术价值和应用前景。

图文赏析

图1. 仿肺泡-肺结构电极。 (a) 传统纳米颗粒与量子点的对比示意图。(b) 仿生电极的示意图。肺泡通过血管与肺连接，确保肺泡在呼吸过程中稳定地收缩与扩张。同样地，WQDs通过化学键牢固地锚定在二维Ti₃C₂ MXene基底上，模拟肺泡在肺中的功能，从而避免了钠化/脱钠过程中的聚集和坍塌。(c) 不同钠原子插入时，WQD@MXene的晶格结构变化。(d-g) 不同钠原子插入情况下，WQD内部四个原子层的平均高度变化。

图2. WQD@MXene界面形貌及其化学成键。(a-b) WQD@MXene的形貌图。 (c) WQD@MXene的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，以及对应的（d）傅里叶变换（FFT）和（e）逆傅里叶变换（inverse FFT）结果。(f-h) MXene的C 1s和Ti 2p XPS谱图。 (j) WQD的W 4f XPS谱图。(g-i-k) WQD@MXene的C 1s、Ti 2p和W 4f XPS谱图。(l) WQD@MXene的电荷差分密度图.

图 3. 电致变色与电化学性能。(a) WQD@MXene电极的全光谱。(b)循环伏安（CV）曲线。(c) 响应速度。(d) 电化学阻抗谱（EIS）(e) 循环性能。(f) 不同电流密度下WQD@MXene电极的GCD曲线。(g) 不同扫描速率下WQD@MXene电极的循环伏安（CV）曲线。(h)峰电流对扫描速率的对数关系图。(i) 在不同扫描速率下WQD@MXene电极的Qₑ和Qb贡献比例。

图4. 电化学动力学的模拟计算。(a)AIMD揭示钠离子动态扩散过程。 (b) WQD的态密度（DOS）结果。(c) WQD@MXene的态密度（DOS）结果。

图5. 应用概念验证。(a) SECD的智能家居系统示意图。(b) SECD结构示意图。(c-d) 在模型房屋中的SECD（10 cm × 15 cm）节能性能评估。(e) 四个SECD（5 cm × 5 cm）串联，点亮LED。(f) 电致变色-可编程信息显示器的示意图及数码照片（每个像素单元：1 cm × 1 cm），不同模式分别设计为字母“A”、“C”和“L”。

期刊信息

Energy & Environmental Materials (EEM) 是由郑州大学与Wiley合作出版的国际期刊，旨在为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发。

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