华中科技大学杨荣贵、钱鑫教授团队EcoMat：溶剂化层结构对氧化还原电对有效热电势的影响

Lead (catchy points)

1. 基于分子动力学模拟的自由能微扰计算方法准确预测了Fe3+/Fe2+与FeCN63-/ FeCN64-氧化还原对的有效热电势。

2. 准确预测了水-丙酮混合溶剂体系，氧化还原对热电势对丙酮质量分数的依赖关系，发现Fe3+/Fe2+氧化还原对的有效热电势从1.7 mV/K（纯水）可提升至3.8 mV/K（丙酮）。

3. 揭示了氧化还原离子周围溶剂化层结构与有效热电势的构效关系，发现了氧化态/还原态离子溶剂化层中分子电偶极矩取向的概率分布差异是表征有效热电势的微观指标。

Background briefing

低品位热能是一种储量巨大且分布广泛的清洁可再生能源，但目前由于缺乏成熟的能量转换技术，该部分能源仍为得到有效的开发利用。基于氧化还原对电化学势的温度效应，热化电池（thermogalvanic cell）可以将低品位热源与环境的温差转化为电压。热化电池由于低成本、结构简单紧凑等优点在低品位热能收集方面表现出良好的潜力。提升氧化还原电对的有效热电势是构建高功率密度、高效率热化电池器件的关键。然而目前尚未阐明氧化还原对有效热电势的微观调控机理，导致高热电势电解质的开发仍然缺乏理论指导。

Research highlight

近日，华中科技大学杨荣贵、钱鑫教授团队开发了氧化还原电解质有效热电势的准确预测方法，阐明了溶剂化层结构对氧化还原电对有效热电势的影响规律，为研发具有高热电势的电解质提供了微观原理基础。通过分子动力学模拟与自由能微扰计算，准确预测了Fe3+/Fe2+和Fe(CN)63-/Fe(CN)64-氧化还原电对在水和丙酮溶液中的有效热电势。结果表明，与水溶液相比，丙酮的加入可使Fe3+/Fe2+氧化还原对的有效热电势从1.70.4 mV/K提高到3.80.5 mV/K。发现了在高丙酮质量分数下，丙酮分子插入Fe2+离子第一溶剂化层导致氧化还原反应熵变增大的现象。提出了溶剂化层有序度参数反映氧化态与还原态离子之间溶剂化结构差异，可作为筛选高热电势电解质的微观指标（如图1所示）。研究成果对回收低品位热能的电化学器件性能提升具有重要的指导意义。

图1. 溶剂化层有序度参数与有效热电势的关系

文章信息

Yuchi Chen, Qiangqiang Huang, Te-Huan Liu, Xin Qian,* Ronggui Yang，* Effect of solvation shell structure on thermopower of liquid redox pairs, EcoMat. 2023; e12385

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eom2.12385?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R2R345C&utm_content=DA20_Xmol_Journal_article_campaign_2_RM-CHINA_AGT_R2R345C_display_eom212385

《生态材料（英文）》（EcoMat）是由香港理工大学与Wiley共同出版的开放获取旗舰期刊，聚焦绿色能源与环境领域的先进功能材料，旨在成为国际高质量的跨学科科学研究交流平台。期刊2022年度影响因子为14.6，JCI指数1.28，5年影响因子14.7，2022年度CiteScore为15，篇均来源期刊标准影响指标为1.647。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学2区、材料科学综合3区、绿色可持续发展技术3区、物理化学2区。先后收录于DOAJ、SCIE、 ESCI等数据库。