香港大学徐立之/纳米能源所蒲雄/东南大学巩峰 Nat. Commun.：非对称结构设计增强机械离子效应

2024-02-26 来源：高分子科技

机电能量转换器件是小型可穿戴或植入式电子系统电源的潜在解决方案。传统的电磁、压电等机电转换技术尽管各有优势，但都难以使用软体材料在低频率机械激励下达到高的电学输出。然而，人体或生物系统是富水的软体材料环境，且生理活动的大多数生物机械能是低频和低速的。对于一些重要的电刺激生物医学应用，如肌肉电刺激和骨再生刺激等，也需要高电流的电学刺激。因此，开发高生物相容性、高输出电流的低频软材料机电转换技术仍是一大挑战。

近期，香港大学徐立之教授联合纳米能源所蒲雄研究员和东南大学巩峰教授报道了一种新型的具有高电流输出、低内阻、高电荷转移量的柔性水凝胶发电机。该工作以活化后的碳布作为工作电极，未经处理的原始碳布为对电极，中间是金字塔形状的含有氯化锂盐溶液的PVA水凝胶。在压缩应变下，水凝胶中的金字塔结构引起凝胶内的变形梯度，水分子和离子在形变梯度方向发生迁移，由于阴阳离子迁移速率的差异，产生净离子流；同时，两电极表面对阴阳离子具有不对称的离子吸附特性，进一步放大了阴阳离子在压缩变形时的迁移差异，提高了净离子电流，最终实现了电流输出的大幅提升。在0.1 Hz的循环压缩下，短路电流可以达到4 mA，转移电荷量高达916 mC m^-2，超过之前的报道。这种小型柔性水凝胶器件的高电流输出可以直接用于电刺激生物应用，例如展示了一个用于伤口愈合的控制药物释放系统。相关工作以“A high-current hydrogel generator with engineered mechanoionic asymmetry”为题发表在《Nature Communications》，第一作者为刘红震博士，通讯作者为香港大学徐立之教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员和东南大学巩峰教授。

图1. a，器件示意图，比例尺为1厘米。b，机理解释：活化的碳布在接触到含有氯化锂的水凝胶后，可以吸附锂离子；接着，在应力作用下阴离子和阳离子都趋向于向小应变区域转移。由于活化后的碳布吸附了大量的锂离子，转移的氯离子数量多于锂离子数量，因而在水凝胶内部形成了定向净电荷流。c，金字塔结构的水凝胶在外部压力作用下变形后的COMSOL模拟。d，碳布活化前后的XPS图。e，器件施加压力后，对应的短路电流和开路电压。f，功率密度和输出电流随外部负载变化图。

图2. a，使用不同的电极后电流输出对比图。b，碳布活化时间和输出电流的关系。c，未活化碳布和活化碳布进行锂离子吸附时的电荷分布图。d，不同体系对应的吸附能计算结果。e，在活化碳布表面进行PEI修饰和移除的示意图。f，在PEI修饰和移除过程中，将不同阶段的活化碳布作为电极时的输出电流。g，在PEI修饰和移除过程中不同阶段的活化碳布电极的红外表征结果。

图3. a，输出电流和氯化锂浓度的关系。b，输出电流和恢复时间的关系。c，输出电流和应变速率的关系。d，用发电机给2F的电容器充电。e，器件的循环性能测试。f，本文中水凝胶发电机和其他先进的机械能-电能转换装置对比图。g，水凝胶发电机和摩擦发电机，电磁感应发电机的输出电流和外部机械刺激频率的关系。

图4. a，在有机械刺激（蓝色区域）和无机械刺激时，水凝胶发电机驱动电控药物释放系统时药物浓度变化图。b，自供电抗菌贴片的结构示意图。c，普通创可贴（上部）和自供电抗菌贴片（下部）对伤口愈合过程的促进效果照片，比例尺5mm。d，伤口愈合过程的面积相对变化。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45931-7

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（责任编辑：xu）

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