我校化学学院臧宏瑛教授团队在多金属氧簇基湿度梯度发电材料研发领域取得重要突破。该团队提供了一种有效的策略来构建新型功能性分子结构，以满足未来可再生能源的需求。该工作可能对相关领域的研究人员具有启发意义，有助于促进无机簇合物、材料化学和新型能量转换设备之间的融合。相关成果以“Multi-Template-Guided Synthesis of High-Dimensional Molecular Assemblies for Humidity Gradient-Based Power Generators” 为题，在国际著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表，并被选为热点论文。
近年来，湿度梯度发电机因其利用自然界普遍存在的湿度能量而受到广泛关注。然而，对于湿度与电能之间的转换机制仍缺乏全面的理解。因此，开发具有明确结构的分子基功能材料，并以此理解离子传输的潜在机制是非常重要的，这有助于设计湿度响应的新型发电材料。基于多金属氧簇的高维分子组装体因其富氧表面、高电荷密度、连续的氢键网络有望在湿度条件下产生显著的质子/离子梯度差异和相应的发电能力。然而，由于构建单元的动态性和随机性，在分子层面上精确操纵这些单元系统地组装成复杂的高维结构仍然是一个巨大挑战。
针对上述关键科学问题，臧宏瑛教授团队提出一种基于稳定构建单元[Mo2O2S2]2+的多模板诱导策略，有效和可控地实现了从单体到一系列高维分子组装体的结构演变。通过结构表现出的不同水吸附能力和质子导电性，他们筛选了理想的分子模型应用于湿度梯度发电装置，显示出优异的发电能力。此外，分子动力学模拟进一步揭示了水分子与发电器件内部微观分子之间的复杂相互作用。
图1 高维分子组装的设计策略
高维分子组装体形成的基础在于[Mo2O2S2]2+构建单元在宽pH范围内保持稳定。选择合适的阴离子模板和柔性的非平面有机配体协同诱导[Mo2O2S2]2+从单体{TeMo6}扩展到四面体笼状结构{Te4Mo24}和{As4Mo24}，再到四重扭曲的Möbius纳米带{P8Mo48}。配体的立体特异性和阴离子模板不同的空间位阻是形成这些特定结构的关键。
图2高维分子组装的湿度梯度发电性能研究
这些结构表现出的不同的水吸附能力和质子导电性为选择用于湿度梯度发电装置的理想分子模型提供了重要指导。Te4Mo24-PVDF基湿度梯度发电机在室温和90%相对湿度下表现出显著的稳定性和发电能力。这标志着晶态多金属氧簇应用的重要拓展，展示了在湿度驱动发电方面的显著潜力。
图3分子动力学模拟水分子与发电器件内部微观分子之间复杂相互作用过程
进一步，分子动力学模拟阐明了H2O在{Te4Mo24}周围的富集机制以及H2O在Te4Mo24-PVDF复合材料中的运输引发的电力生成。这种方法揭示了分子结构与水分子在湿度条件下的复杂相互作用，从而揭示控制湿度驱动能量转换的潜在机制。
该成果的第一作者为化学学院博士研究生李波和中国科学院长春应用化学研究所段晓征研究员；通讯作者为化学学院臧宏瑛教授。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年项目以及高分子物理与化学国家重点实验室开放课题的支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202408096
