基于绿色、可再生生物分子Juglone的能源存储器件及相关机制研究

Being confronted with the problems of energy crisis and environmental pollution, the exploring and application of novel rechargeable energy storage devices is crucial for setting up clean energy system. Generally, existing energy storage devices built with active electrode materials such as inorganic metal compounds and man-made organic molecules exhibit substantial energy density, however, suffer from poor biocompatibility, safety hazard, rising prices and cause numerous electronic wastes after service life. Therefore, the next-generation green, renewable, biocompatible energy systems with high energy density will dominate the future research directions. In this project, we choose a novel and renewable biomolecule, Juglone, a biomolecule derived from waste walnut epicarp, as the research target, and plan to investigate their energy-storage mechenism. Several approaches such as hybriding and chemical modification have been proposed to overcome the dissolution and low conductivity issues of Juglone molecules, and thus achieve the biocompatible, environmental-friend electrode materials and energy-storage devices. The successful implementation of our project will not only provide many useful electrode materials for the design and fabrication of next-generation all-bimolecule based biocompatible full cells, but also contribute much experimental demonstration and related theoretical basis.

面临能源危机和环境污染两大问题，开发和利用可反复充放电的新型能源存储器件，已成为清洁能源体系的重要组成部分。通常，构建能源存储器件的活性电极材料，是一些具有电化学活性的无机金属化合物，以及部分人工合成的有机材料。虽然这些电极材料具有一定的比容量，但是面临着较差的生物相容性、安全隐患、不断攀升的制造成本、在服役期后将导致大量的电子垃圾。因此，开发绿色、可再生、生物相容性好、比容量高的电极材料将是下一代、环境友好型能源存储系统发展的必然方向。本项目选取一种新颖的、可从废弃胡桃皮中直接提取的、可再生生物分子Juglone为研究对象，将系统地研究其储能机制，并针对它存在的导电性差，易溶解在电解质中的缺点，对它进行复合，分子改性等方面的探索，力争获得高性能、生态友好的电极材料和能源存储器件。本项目的实施将为最终实现全生物质、生物相容性好的全电池提供多种有用的素材，贡献一些实验论证和相关理论基础。

本课题开展了基于可再生生物分子Juglone的能源存储器件及相关机制的研究。其主要成果包括：探明了Juglone纳米线电极材料尺寸效应对其电化学储能性能的影响，揭示材料直径决定了它们的电子、离子传输特性，并通过合理的“材料-结构-性能”设计进行了电化学性能的优化；制备了基于Juglone的线型超级电容器，并通过合理的“电阻-电容”电路设计，将能量传输和存储的两个基本功能集成到一根柔性电缆中，实现同步能量存储和传输；此外，通过构建共轭的PPy/Juglone复合材料，并制备了基于Juglone的微型超级电容器，有利于开发出开发生物相容性好、柔性、轻便和便携的可穿戴微型电子设备；采用分子式跟Juglone一样，但是结构不一样的Lawsone分子，制备了Lawsone/PPy沉积在碳纤维的线型电极，并且制备了基于生物分子/聚合物复合物的无过渡金属非对称超级电容器；将Lawsone与4-HO-TEMPO正极电解液配对，成功构建了具有高的工作电压、体积比容量及循环稳定性水相液流电池，为构建新型高效能源存储体系提供了材料基础。综合上述结果，本研究为探讨基于可再生生物分子Juglone的储能器件奠定了坚实的工作基础，同时对与Juglone具有相同分子式的Lawsone分子展开了储能研究。项目资助已正式发表SCI论文15篇，已接受论文2篇，已申请发明专利1项。培养博士研究生3名，硕士研究生3名，其中1名硕士研究生在读。项目投入经费23.728万元，支出18.2224万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费5.5056万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。