中科院北京纳米能源所魏迪、海洋所王秀通 《自然·通讯》：基于多界面动态双电层的能量捕获与水域环境感知统一平台

海洋、湖泊及其近表层构成的水域界面，是能量交换、物质输运和人类活动高度集中的区域。面向水域环境监测、生态预警、腐蚀防护与空间感知的智能系统，需要同时解决长期供能与复杂环境中的可靠感知问题。现有水域系统面临两大核心瓶颈：一是供能依赖外部电源或电池且功能模块分立，难以兼顾小型化、长期自主运行与组网扩展；二是声学、雷达、AIS及光学遥感等感知手段易受多径效应和环境噪声干扰，可靠性不足。 液-固界面的双电层（EDL）能够介导电荷分离、离子迁移与动态重构，使外界扰动在产生电能的同时留下可读取的电信号，为能量流与信息流的协同提供了物理基础。自然界中的弱电鱼展示了一种低功耗的水下感知方式。它们周期性释放毫伏级电器官放电（EOD），在周围水体中建立探测电场；导体或绝缘体进入电场后会改变局部场线分布，并在体表电感受器上形成具有正负极性和幅值差异的电势响应。信号极性反映场线汇聚或发散，幅值则与目标距离、尺寸和电学差异有关。单条弱电鱼的感知范围会受到电场快速衰减的限制，鱼群中的协同放电和共同感知则可增强局部电场，使较远位置的环境扰动仍然能够被识别。这种由局域感知走向群体协同的策略，为多界面双电层系统提供了直接的仿生线索。已有双电层器件多集中于厘米尺度的局域界面、直线电极接触-分离结构或液滴级调控。因此，如何利用开放水域中的波浪运动，使多个液-固界面像弱电鱼群体一样协同响应，并使同一离子运动同时承担能量输出与时空信息编码，是构建自供能水域智能系统需要解决的重要科学问题。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪、王中林、陈宝东团队与中国科学院海洋研究所王秀通团队，围绕水域界面中能量获取与环境信息感知协同，构建了波浪驱动的管状多界面动态双电层系统。该系统采用亚克力通管结构，在外侧形成氟化乙烯丙烯共聚物-水（FEP-水）界面，在内侧形成聚甲基丙烯酸甲酯-水（PMMA-水）界面。波浪引起的周期性液体运动使内、外双电层不断组装与解离，连通液路则使内侧液体充当动态电荷库，在两个界面之间形成电荷接力，并通过串联或并联漏电极实现协同释放。结合几何匹配、等面积单界面和内壁失活等对照实验，研究表明性能提升主要来自液路连通所建立的多界面动态耦合，而非界面数量或几何面积的简单增加。在此基础上，通过调节波浪频率、离子浓度与种类、管径、源电极连续性和Cu:FEP面积比，器件的能量输出得到进一步提升，在0.7 Hz、0.5 MΩ负载条件下获得82.2 W m-3 Hz-1的峰值功率密度。在能量输出层面，本系统模拟弱电鱼由个体到鱼群的协同策略，实现了能效的逐级放大。在单体层面，该机制能够支撑器件的低功耗自供能运行；在集群层面，通过多器件阵列的能量汇聚，构建出具备可扩展性的自供能系统，并实现了对环境的温湿度感知。尤为重要的是，该系统在水域环境中成功实现了自供能阴极保护，

使涂层破损金属被稳定极化并维持于阴极保护电位区间。这一结果表明，系统能够将环境中的机械能直接转化为持续的腐蚀防护驱动力，展现了其在海洋及其他水域中的能量捕获、环境监测与金属防腐多场景中的巨大应用潜力。在环境感知层面，研究进一步借鉴弱电鱼通过信号极性和幅值进行时空对比编码的方式，利用动态双电层响应识别涂层破损和波浪状态。引入鱼群协同感知策略后，研究构建了由近端主电极和四个方位辅助电极组成的主-辅协同网络，实现方向信号增强和二维空间解码。结合主成分分析-支持向量机（PCA-SVM）模型，系统对西北、西南、东北和东南4个区域的总体识别准确率达到90.3%；在1.5米长的受控水槽中，系统仍保持可分辨的空间响应，平均协同增益达到1.469。总体而言，该工作建立了从多界面双电层动态耦合、电荷接力、能量输出和自供能腐蚀防护，到仿生信息编码、主-辅电极协同及空间感知的完整研究框架，为能量捕获与环境感知一体化的水域智能系统提供了新的物理机制和器件方案。

该成果以“Multi-Interface electrical double layers dynamics as a unified platform for power generation and environmental intelligence” 为题发表在近期的Nature Communications期刊上。论文的共同第一作者为南有博和李想，共同通讯作者为王秀通、陈宝东、王中林和魏迪。

图1. 弱电鱼协同感知启发的多界面双电层电荷接力架构与性能验证。a. 单条弱电鱼依靠自身电器官放电进行局域探测，鱼群通过协同放电与共同感知扩大有效探测范围。b. 单体与群体电感知信号强度及感知距离的对比。c. 从单界面、伪多界面到液路连通多界面双电层的结构演进。d. 波浪驱动下，外侧FEP-水界面与内侧PMMA-水界面动态组装和解离；连通液路使两个界面发生电荷接力与协同释放。e-f. 不同器件构型的转移电荷量和短路电流。

图2. 多界面动态双电层中的频率调制电荷转移与离子调控。a. 不同波浪激励频率下的转移电荷量。b. NaCl浓度从0增加至10-2 mol L⁻¹时，转移电荷量在10-4 mol L⁻¹达到最优。c-e. 低、中、高NaCl浓度下双电层结构与界面屏蔽效应示意图。f. 固定浓度下Na+、Mg2+和Al3+对转移电荷量的不同影响。g. 以不同离子作为信息载体的离子电子学能量-信息流框架。

图3. 几何优化多界面动态双电层从单器件到阵列的可扩展能量流。a-b. 相同铜面积下连续包覆、窄螺距和宽螺距源电极的结构与转移电荷量。c. 不同直径亚克力通管的转移电荷量。d-e. 不同Cu:FEP面积比下的转移电荷量和短路电流。f. 外接负载变化时的功率密度与短路电流。g-h. 4个T-70器件为1 mF储能电容充电，经LTC3588稳压至3.6 V后驱动温湿度传感器。i. 自供能阴极保护示意图及被保护金属的电位变化。

图4. 主-辅电极协同实现仿生空间感知。a. 弱电鱼利用时空对比编码感知导体目标位置。b. 鱼群协同主动感知及其动态双电层类比：主、辅电极把波浪引起的有效响应面积变化转化为界面电势和短路电流。c. 主电极与西北、西南、东北和东南4个区域辅助电极的二维布置。d. 基于LabVIEW的同步采集与实时方向判别平台。e-f. 主电极、辅助电极及主-辅协同模式在各区域的短路电流和转移电荷量。g. PCA-SVM分类流程。h. 空间识别归一化混淆矩阵，总体准确率为90.3%。

结论：本工作 受弱电鱼从个体局部电定位到鱼群协同感知的策略的启发，构建了波浪驱动的管状多界面动态双电层系统。周期性波浪扰动诱导FEP-水界面与PMMA-水界面的双电层不断组装和解离，连通液路则在内、外界面之间建立电荷接力与并行释放。几何匹配、等面积单界面以及内壁失活等对照进一步排除了单纯面积增益和外部流体扰动差异，证明器件性能主要来自多界面的动态耦合。通过调节激励频率、离子浓度与种类、管径、源电极连续性和电极面积比，研究实现了可扩展的电能输出，并将其用于电容充电、警示灯和低功耗传感器供能以及自供能阴极保护。研究借鉴弱电鱼的时空对比编码和鱼群协同感知策略，将动态双电层响应的极性与幅值转化为空间信息，并通过主-辅电极网络实现方向增强和二维定位。结合PCA-SVM，系统实现了90.3%的四区域识别准确率。总体而言，该工作将多界面电荷接力、能量转换和仿生空间感知纳入同一双电层动力学框架，推动了动态双电层从局域能量转换单元向分布式水域感知平台拓展，为自供能水域智能系统提供了新的物理基础和器件路径。

本工作是动态双电层、离子电子学与海洋环境腐蚀防护等研究方向交叉合作的成果。研究将液-固界面的离子-电子耦合拓展到波浪驱动的多界面系统，使环境机械能采集、腐蚀防护及状态识别和空间信息解码共享同一物理过程。这一思路为海洋能源、长期水域监测、自供能腐蚀防护和仿生环境感知提供了可进一步验证的研究路径。

作者的话

该工作是魏迪研究员近期关于离子电子学研究的最新进展之一，其研究纳米限域空间内离子动力学过程，摩擦电场影响及离子-电子耦合关系，为新能源、传感、类脑计算及限域化学反应等前沿领域提供了全新研究范式。以离子为信号载体的离子电子学 (lontronics) 是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科。魏迪教授课题组介绍请登录https://iontronics.group/。课题组长期招聘研究生、博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。