压离子效应作为一种新兴的力传感机制，在自供能传感应用中展现出巨大潜力。然而，由于阴离子与阳离子扩散速率差异有限，传统压离子传感器的灵敏度仍然较低，这限制了它们在高精度传感中的应用。在此，研究人员开发了一种具有可控相分离结构的纤维素/海藻酸水凝胶，显著增强了压离子输出性能。通过顺序交联策略，成功构建了由纤维素和海藻酸铝组成的双相网络结构。纤维素相提供结构稳定性，大孔海藻酸铝相则实现离子的快速扩散，同时铝离子与海藻酸之间的强配位作用可选择性地固定阳离子，从而显著增大压力作用下的离子扩散差异，提升压离子传感器的性能。优化后的水凝胶传感器具有高灵敏度（14.13 mV/kPa）、快速响应（60 ms）和优异的循环稳定性，能够高精度监测微弱生理信号，同时还可作为微电源为电子器件供电。这项工作为开发高性能、环境友好的压离子材料及传感系统提供了一种创新的结构设计策略。

  2026年4月10日，相关工作以Phase-Separation Enhanced Piezoionic Effect in Cellulose/Alginate Hydrogels for High-Sensitivity Self-Powered Sensing为题发表在Advanced Functional Materials上。文章第一作者为武汉大学博士生李京都，通讯作者为吕昂副教授。

图1. 相分离结构增强压离子效应的原理示意图。

  图1示意图展示了纤维素/海藻酸水凝胶内部的双相结构设计。致密的纤维素相作为力学骨架提供结构稳定性，大孔的海藻酸铝相通过铝离子与羧基的强配位作用选择性固定阳离子，同时为氯离子提供快速扩散通道。在压力梯度作用下，固定的铝离子与可自由移动的氯离子之间产生显著的扩散差异，从而增强了输出的压离子电压信号。该图直观概括了相分离结构如何协同实现压离子效应增强的核心机制。

图2. 不同组成水凝胶的微观形貌、元素分布及光谱表征。

  图2利用SEM、EDS、拉曼光谱及实物照片，系统表征了不同比例水凝胶的微观结构。结果显示，纯纤维素水凝胶为均匀致密结构，而复合水凝胶（CA-10、CA-5、CA-1）均呈现双相结构：纤维素富集的小孔致密相与海藻酸铝富集的大孔网络相。随着海藻酸比例增加，双相结构逐渐演变为理想的双连续相（CA-1），铝元素高度富集于大孔区域。拉曼光谱证实大孔相为海藻酸铝，实物照片显示相分离程度越高，水凝胶越不透明。初步压离子测试表明，CA-1具有最高的电压输出，证实相分离结构对压离子效应的增强作用。

图3. 相分离增强压离子效应的机理分析，涵盖力学、孔径、配位化学及离子选择性扩散。

  图3从多角度揭示了CA-1性能增强的内在机制。力学测试显示CA-1具有最高的杨氏模量，但高模量与高压离子输出之间的矛盾说明力学性能并非主导因素。孔径分析表明，CA-1中纤维素相孔径约20 nm，而海藻酸铝相孔径约70 nm，这种显著的孔径差异为氯离子提供了低阻力扩散路径。FTIR、拉曼和XPS光谱一致证实，铝离子与海藻酸的羧基形成了强配位的“蛋盒”结构，且CA-1中配位作用最强。离子浓度梯度测试表明，在压力作用下氯离子浓度发生显著变化而铝离子几乎不变，说明铝离子被有效固定、氯离子自由迁移。DFT计算进一步量化了这种差异：铝离子与海藻酸的结合能为-450 kJ/mol（强固定），而氯离子仅为+5 kJ/mol（弱排斥）。综上，图3阐明了相分离结构通过选择性固定阳离子、促进阴离子扩散，从而放大离子扩散差异并增强压离子效应的完整机理。

图4. 自供能压力传感器的传感性能与能量输出评估。

  图4展示了基于CA-1水凝胶构建的自供能压力传感器的综合性能。传感器对压力位置表现出方向依赖性响应，符合压离子机制特征。其响应时间仅60 ms，恢复时间2010 ms，显示出快速感知能力。在0.5–2 kPa压力范围内，灵敏度高达14.13 mV/kPa，当压力超过2 kPa后因信号饱和灵敏度下降至2.30 mV/kPa。相比纯纤维素水凝胶（4 mV/kPa），CA-1的灵敏度提升超过三倍，且与文献报道的同类传感器相比具有明显优势。在1000次循环加载-卸载测试中，输出信号几乎无衰减，表现出优异的循环稳定性。能量输出方面，CA-1的最大功率密度达到0.55 μW/cm³，约为纯纤维素水凝胶的6.5倍。图4整体证明，相分离结构大幅提升了压离子水凝胶的传感灵敏度、响应速度、循环稳定性和能量收集能力。

图5. 传感器在人体生理信号监测和微能源收集方面的应用演示。

  图5展示了CA-1传感器的实际应用潜力。在生理监测方面，传感器贴附于手腕可清晰记录人体脉搏波，不仅捕捉到规律的心跳波形，还能分辨出单个周期内的冲击波、潮波和舒张波等细微特征，心率约为65次/分钟。贴在眉间可监测不同强度的皱眉动作，贴在指关节可灵敏响应手指弯曲，输出约25 mV的电压信号。在微能源收集方面，通过手指按压，传感器可点亮LED、唤醒处于休眠状态的温湿度计，并能驱动微型风扇旋转；释放压力时风扇出现短暂反转，这一现象直接验证了压离子效应的可逆性和方向性。图5综合表明，该传感器既能实现高精度自供能生理监测，又能作为微电源驱动小型电子设备。

总结

  本研究成功开发了一种基于相分离结构的高性能压离子水凝胶，通过双相结构与配位协同作用，实现了高灵敏度、快速响应、良好稳定性的自供能传感。该工作不仅为天然高分子材料在柔性电子领域的应用提供了新思路，也为绿色、高效、智能传感系统的发展奠定了基础。

  链接地址：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75275

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