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导读
近日，中山大学材料科学与工程学院阎兴斌教授课题组融合了离子二极管的整流特性和赝电容器的快速充放电特性，在国际上首次提出了赝电容器二极管的概念。
超级电容器是一类能够快速存储能量的功率型电化学储能设备。为了进一步促进超级电容器的快速发展，开发具有新颖功能的超级电容器具有重要意义。2019年，德国Kaskel教授提出了超级电容器二极管（CAPode)的全新概念，成功地将二极管的单向导通特性整合到了具有快速充放电特性的超级电容器中【Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 13060】。2021年，中山大学材料科学与工程学院阎兴斌教授采用聚合物离子液体阴阳离子调控的思路构建了能够有效阻断正向或者反向电流响应的超级电容器二极管【Adv. Mater., 2021, 33, 2100887.】。该类新型器件同时具备快速离子传导/存储和有效阻断负向偏压的双功能，有望在微电路整流、逻辑运算和神经形态学等新兴领域得到广泛应用。然而，超级电容器二极管作为一种新兴的离子器件，其发展才刚刚起步。为了促进其快速发展，有效降低制造成本、提高器件比容量和整流值、探索潜在应用领域具有重要意义。
图1. 赝电容器二极管工作示意图。(a)ZnCo2O4作为工作电极，YP-50F碳作为对电极。(b)YP-50F碳作为工作电极，ZnCo2O4作为对电极。
近期，中山大学材料科学与工程学院阎兴斌教授课题组融合了离子二极管的整流特性和赝电容器的快速充放电特性，在国际上首次提出了赝电容器二极管的概念。该器件内部通过碳电极表面的离子物理吸附以及ZnCo2O4电极/电解液界面的法拉第反应来存储电荷，而整流功能是基于尖晶石ZnCo2O4在KOH水系电解液中发生的离子选择性表面氧化还原效应来实现（图1）。该赝电容器二极管能够有效地阻挡反向偏置电流（图2），并表现出较高的整流比（在200 mV s-1的扫描速率下，整流比 Ⅰ 为3.4，整流比II为0.79）和可观的循环寿命（1000次循环后容量保留93%）。此外，作者成功地展示了器件在离子逻辑电路（AND, OR）中的新应用（图3），这对促进新型电容型离子二极管的发展具有重要意义。
图2. 赝电容器二极管的电化学和二极管性能。(a) 20-200 mV s−1扫描速率下的CV曲线。(b)不同扫描速率下的质量比容量。(c)相应的整流比Ⅱ。(d)不同电流密度下的GCD曲线。(e) RRⅡ和容量保留率随循环次数的变化。
图3. 赝电容器二极管在“AND”逻辑运算中的应用。(a)赝电容器二极管和电阻的布线方案。(b)输入输出的电压信号。(c)电压信号对应的逻辑函数。
此项研究丰富了超级电容器二极管的类型，并首次证实了超级电容器二极管在新兴离子逻辑电路中的应用可行性。该工作以“A Pseudocapacitor Diode Based on Ion-Selective Surface Redox Effect”为题发表在材料领域国际权威期刊Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202209186）。
中山大学材料科学与工程学院为第一单位，文章第一作者是中山大学材料科学与工程学院2022级博士生唐培，第二作者为2020级本科生谭吴洋，阎兴斌教授为唯一通讯作者。该工作得到中山大学百人计划科研启动基金、中山大学中央高校基本科研业务费专项基金（22qntd0101和22dfx01）、国家自然科学基金（22279166）和国家重点研发计划项目（2022YFB2402600）的资助。
来源：中山大学材料科学与工程学院
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