近日，我校化學學院臧宏瑛教授團隊在多金屬氧簇基濕度梯度發電材料研發領域取得重要突破。該團隊提供了一種有效的策略來構建新型功能性分子結構，以滿足未來可再生能源的需求。該工作可能對相關領域的研究人員具有啟發意義，有助于促進無機簇合物、材料化學和新型能量轉換設備之間的融合。相關成果以“Multi-Template-Guided Synthesis of High-Dimensional Molecular Assemblies for Humidity Gradient-Based Power Generators” 為題，在國際著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發表，并被選為熱點論文。
近年來，濕度梯度發電機因其利用自然界普遍存在的濕度能量而受到廣泛關注。然而，對于濕度與電能之間的轉換機制仍缺乏全面的理解。因此，開發具有明確結構的分子基功能材料，并以此理解離子傳輸的潛在機制是非常重要的，這有助于設計濕度響應的新型發電材料。基于多金屬氧簇的高維分子組裝體因其富氧表面、高電荷密度、連續的氫鍵網絡有望在濕度條件下產生顯著的質子/離子梯度差異和相應的發電能力。然而，由于構建單元的動態性和隨機性，在分子層面上精確操縱這些單元系統地組裝成復雜的高維結構仍然是一個巨大挑戰。
針對上述關鍵科學問題，臧宏瑛教授團隊提出一種基于穩定構建單元[Mo2O2S2]2+的多模板誘導策略，有效和可控地實現了從單體到一系列高維分子組裝體的結構演變。通過結構表現出的不同水吸附能力和質子導電性，他們篩選了理想的分子模型應用于濕度梯度發電裝置，顯示出優異的發電能力。此外，分子動力學模擬進一步揭示了水分子與發電器件內部微觀分子之間的復雜相互作用。
圖1 高維分子組裝的設計策略
高維分子組裝體形成的基礎在于[Mo2O2S2]2+構建單元在寬pH范圍內保持穩定。選擇合適的陰離子模板和柔性的非平面有機配體協同誘導[Mo2O2S2]2+從單體{TeMo6}擴展到四面體籠狀結構{Te4Mo24}和{As4Mo24}，再到四重扭曲的M?bius納米帶{P8Mo48}。配體的立體特異性和陰離子模板不同的空間位阻是形成這些特定結構的關鍵。
圖2高維分子組裝的濕度梯度發電性能研究
這些結構表現出的不同的水吸附能力和質子導電性為選擇用于濕度梯度發電裝置的理想分子模型提供了重要指導。Te4Mo24-PVDF基濕度梯度發電機在室溫和90%相對濕度下表現出顯著的穩定性和發電能力。這標志著晶態多金屬氧簇應用的重要拓展，展示了在濕度驅動發電方面的顯著潛力。
圖3分子動力學模擬水分子與發電器件內部微觀分子之間復雜相互作用過程
進一步，分子動力學模擬闡明了H2O在{Te4Mo24}周圍的富集機制以及H2O在Te4Mo24-PVDF復合材料中的運輸引發的電力生成。這種方法揭示了分子結構與水分子在濕度條件下的復雜相互作用，從而揭示控制濕度驅動能量轉換的潛在機制。
該成果的第一作者為化學學院博士研究生李波和中國科學院長春應用化學研究所段曉征研究員；通訊作者為化學學院臧宏瑛教授。該研究得到了國家自然科學基金優秀青年項目以及高分子物理與化學國家重點實驗室開放課題的支持。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202408096
