浙江
收集低频机械能并将其转化为高电流和高电荷量的电输出对于很多生物电子器件，尤其是用于体内的生物电子器件来说很有意义。压离效应提供了一种简单的方法，来获得具有低电压和高电流输出的机械能-电能转换方法。然而目前的基于压离效应的装置仅具有很有限的电学输出能力。
针对这一问题，香港大学机械工程系徐立之教授团队报道了一种新型的具有高电流输出，低内阻，高转移电荷量的水凝胶发电机。这一发电机以活化后的碳布为工作电极，以图案化的含有氯化锂盐溶液的PVA水凝胶和未经处理的原始碳布为对电极。在循环往复的外部压力作用下可产生高电流输出（2kPa压力下电流为0.25mA，80kPa压力下电流为4mA），转移电荷量高达916 mC m-2，远超以往报道的器件。这一装置的原理如下：活化后的碳布在外界压力作用下接触到PVA水凝胶，由于具有众多含氧官能团，可吸附大量锂离子，排斥氯离子。外界压力作用下PVA水凝胶发生显著变形，阴阳离子均趋向于从高应变区域向低应变区域转移。然而由于大量锂离子被锚定在工作电极表面，氯离子流大于锂离子流，在内部表现为净负电荷的定向移动，在外部体现为电子的定向移动。这一器件在可穿戴电子和可植入电子领域具有很大的应用潜力，如应用于自供电药物贴片。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的徐立之教授，中科院北京纳米能源与系统研究所的蒲雄研究员和东南大学的巩峰教授。
图一，a，器件示意图，比例尺1厘米。b，机理解释图。活化碳布接触到水凝胶后吸附锂离子，应力作用下阴离子和阳离子都趋向于向小应变区域转移。由于活化碳布吸附了大量的锂离子，转移的氯离子流大于锂离子流，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的变形模拟。d，碳布活化前后的XPS C1S图。e，短路电流-开路电压-施加压力图。f，功率密度和输出电流随外部负载变化图。
图二，a，更换不同电极的电流输出对比。b，碳布活化时间和输出电流的关系。c，碳布和活化碳布对锂离子吸附时的电荷分布图。d，不同体系的吸附能计算结果。e，活化碳布经过PEI修饰和移除的示意图。f，在PEI修饰和移除过程中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。
图三，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，水凝胶发电机和其他的先进机械能-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。
图四，a，水凝胶发电机在有机械刺激（蓝色区域）和无机械刺激时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。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45931-7
课题组网页：
xulizhi.hku.hk
来源：高分子科学前沿
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