王中林院士/魏迪研究员《自然∙通讯》：基于二维纳米流体材料的柔性自供电摩擦电子器件！

在生物细胞膜中，某些特定的离子可以在渗透能的驱动下流过膜，负责神经冲动、肌肉收缩和生理感应。其中渗透能可以基于压力延迟渗透（PRO）或反向电渗析（RED）产生，而离子调控部分是该驱动力的关键。为此，离子电子学专注于电子和离子之间的相互作用，在物理学、化学和生命科学中发挥着重要作用。渗透电源作为离子电子学的一个例子，可以将离子梯度转化为电能。然而，它面临着功率低、对湿度敏感、不能在冰点下工作等挑战。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、魏迪研究员等人基于二维纳米流控氧化石墨烯材料，报道了一种电压为1.5 V、体积比能量密度为6 mWh cm-3、功率密度为28 mW cm-3的超薄（~10 μm）渗透电源。再结合摩擦纳米发电，该渗透电源可以形成一个自供电的摩擦电子器件。此外，作者进一步制造了具有纳米限制增强的三维渗透电源。基于可在-40°C下运行并克服湿度限制的氧化石墨烯气凝胶的纳米限制增强，仅通过离子梯度就可将面功率密度放大至1.3 mW cm-2，实现了迄今为止的最高值，能够为未来人机界面中的植入式电子设备供电。该研究以题为“Flexible iontronics based on 2D nanofluidic material”的论文发表在《Nature Communications》上。

【基于二维纳米流体材料的平面超薄渗透电源】

作者选择了含有大量钾离子（K +）的还原氧化石墨烯（rGO）作为离子电子器件中的阳离子源。氧化石墨烯（GO）沉积在电极的一侧，rGO沉积在另一侧，从而重叠形成结。为避免干扰，作者将金（Au）电极用作电荷收集器，使rGO中的K +从GO的二维纳米流体通道中通过并传输到Au电极的阴极侧。作者评估了超薄柔性Au/AgNO 3/GO/RTIL/rGO/Au渗透电源的能量密度，能量容量计算为 0.69 µWh。AgNO 3的添加使部分可逆的氧化还原反应成为可能，从而通过电极表面的氧化还原反应将定向离子迁移转化为电子传输。RTIL是熔点接近或低于室温的熔盐，有助于加速纳米限制结构中K +的传输，从而提高电流。该渗透电源从I-V特性计算的最大体积比功率密度为28 mW cm -3，最大体积比能量密度为 6 mWh cm -3，可以与锂薄膜电池相当。

图1平面渗透电源

【自供电摩擦电子器件】

超薄且可印刷的渗透电源可以很容易地与能量收集摩擦纳米发电机（TENG）集成，形成自供电摩擦电子器件。富含K +的GO可以实现阳离子在电场下更快的迁移，从而形成双电层。通过双电层电容耦合，作者演示了一种离子能量收集和存储装置，该装置利用机械位移产生的摩擦电势和电流为渗透电源充电。作者选择了聚酰亚胺（PI）作为摩擦发电材料，同时也作为封装层，并将铜箔贴在PI胶带上作为电极。该TENG可以连接到渗透电源，形成可穿戴的超薄自供电摩擦电子器件，其在3 Hz时产生的最大电压和电流分别为45 V和0.7 µA，能够为1.5 V的LED供电。这种自供电摩擦电子器件可以直接粘贴在物品表面，具有贴合性和可弯曲性，能够适应任何不规则形状支撑物体的任何曲面。

图2摩擦电子器件的设计和表征

【渗透电源的模块化设计与集成】

作者进一步制造了具有纳米限制增强的三维渗透电源，其输出性能可以通过组装具有可定制特性的模块来按需定制。可根据电压要求选择具有可调节阳离子浓度的GO气凝胶，并且可以将具有可控电导率的离子凝胶滴铸到影响电流输出的气凝胶上。由于采用离子凝胶作为电解质，该电源可以在低湿度和零下温度等恶劣环境下运行，即使在-40℃的温度下也可以工作，这极大拓宽了应用条件。此外，通过操纵电源的不同组件，它提供了方便的组装过程和丰富的潜在设计，例如将平坦基板上的一系列重复组件堆叠在一起形成三明治结构。这种来自纯离子梯度的折叠渗透电源具有大约10 V的开路电压，可以为电致变色设备、液晶显示屏供电。这种模块化设计电源在可提供1.3 mW cm- 2的面积功率密度，是迄今为止各类渗透电源中所报道的最高面功率密度。

图3三维渗透电源的气凝胶制备工艺

图4模块化设计渗透电源

总结：作者报道了一种基于离子梯度和微调界面电化学反应的柔性、超薄和可打印的基于氧化石墨烯的摩擦电子器件和渗透能源，其能在低湿度和零摄氏度以下的恶劣环境下运行。这项工作促进了对离子电子学中二维纳米流体材料功能的基本理解，还为离子二极管/晶体管、离子电路和光致离子电子学等的研究开辟了新的设计，有望在未来可穿戴或可植入离子电子设备甚至神经元计算机接口的开发中找到应用。

--3D打印展--

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32699-x

来源：高分子科学前沿

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