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香港大學徐立之/納米能源所蒲雄/東南大學鞏峰 Nat. Commun.：非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計增強機械離子效應(yīng)
2024-02-26  來源：高分子科技

  機電能量轉(zhuǎn)換器件是小型可穿戴或植入式電子系統(tǒng)電源的潛在解決方案。傳統(tǒng)的電磁、壓電等機電轉(zhuǎn)換技術(shù)盡管各有優(yōu)勢，但都難以使用軟體材料在低頻率機械激勵下達到高的電學輸出。然而，人體或生物系統(tǒng)是富水的軟體材料環(huán)境， 且生理活動的大多數(shù)生物機械能是低頻和低速的。對于一些重要的電刺激生物醫(yī)學應(yīng)用，如肌肉電刺激和骨再生刺激等，也需要高電流的電學刺激。因此，開發(fā)高生物相容性、高輸出電流的低頻軟材料機電轉(zhuǎn)換技術(shù)仍是一大挑戰(zhàn)。


  近期，香港大學徐立之教授聯(lián)合納米能源所蒲雄研究員和東南大學鞏峰教授報道了一種新型的具有高電流輸出、低內(nèi)阻、高電荷轉(zhuǎn)移量的柔性水凝膠發(fā)電機。該工作以活化后的碳布作為工作電極，未經(jīng)處理的原始碳布為對電極，中間是金字塔形狀的含有氯化鋰鹽溶液的PVA水凝膠。在壓縮應(yīng)變下，水凝膠中的金字塔結(jié)構(gòu)引起凝膠內(nèi)的變形梯度，水分子和離子在形變梯度方向發(fā)生遷移，由于陰陽離子遷移速率的差異，產(chǎn)生凈離子流；同時，兩電極表面對陰陽離子具有不對稱的離子吸附特性，進一步放大了陰陽離子在壓縮變形時的遷移差異，提高了凈離子電流，最終實現(xiàn)了電流輸出的大幅提升。在0.1 Hz的循環(huán)壓縮下，短路電流可以達到4 mA，轉(zhuǎn)移電荷量高達916 mC m-2，超過之前的報道。這種小型柔性水凝膠器件的高電流輸出可以直接用于電刺激生物應(yīng)用，例如展示了一個用于傷口愈合的控制藥物釋放系統(tǒng)。相關(guān)工作以“A high-current hydrogel generator with engineered mechanoionic asymmetry”為題發(fā)表在《Nature Communications》，第一作者為劉紅震博士，通訊作者為香港大學徐立之教授，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所蒲雄研究員和東南大學鞏峰教授。


圖1. a，器件示意圖，比例尺為1厘米。b，機理解釋：活化的碳布在接觸到含有氯化鋰的水凝膠后，可以吸附鋰離子；接著，在應(yīng)力作用下陰離子和陽離子都趨向于向小應(yīng)變區(qū)域轉(zhuǎn)移。由于活化后的碳布吸附了大量的鋰離子，轉(zhuǎn)移的氯離子數(shù)量多于鋰離子數(shù)量，因而在水凝膠內(nèi)部形成了定向凈電荷流。c，金字塔結(jié)構(gòu)的水凝膠在外部壓力作用下變形后的COMSOL模擬。d，碳布活化前后的XPS圖。e，器件施加壓力后，對應(yīng)的短路電流和開路電壓。f，功率密度和輸出電流隨外部負載變化圖。 


圖2. a，使用不同的電極后電流輸出對比圖。b，碳布活化時間和輸出電流的關(guān)系。c，未活化碳布和活化碳布進行鋰離子吸附時的電荷分布圖。d，不同體系對應(yīng)的吸附能計算結(jié)果。e，在活化碳布表面進行PEI修飾和移除的示意圖。f，在PEI修飾和移除過程中，將不同階段的活化碳布作為電極時的輸出電流。g，在PEI修飾和移除過程中不同階段的活化碳布電極的紅外表征結(jié)果。 


圖3. a，輸出電流和氯化鋰濃度的關(guān)系。b，輸出電流和恢復時間的關(guān)系。c，輸出電流和應(yīng)變速率的關(guān)系。d，用發(fā)電機給2F的電容器充電。e，器件的循環(huán)性能測試。f，本文中水凝膠發(fā)電機和其他先進的機械能-電能轉(zhuǎn)換裝置對比圖。g，水凝膠發(fā)電機和摩擦發(fā)電機，電磁感應(yīng)發(fā)電機的輸出電流和外部機械刺激頻率的關(guān)系。 


圖4. a，在有機械刺激（藍色區(qū)域）和無機械刺激時，水凝膠發(fā)電機驅(qū)動電控藥物釋放系統(tǒng)時藥物濃度變化圖。b，自供電抗菌貼片的結(jié)構(gòu)示意圖。c，普通創(chuàng)可貼（上部）和自供電抗菌貼片（下部）對傷口愈合過程的促進效果照片，比例尺5mm。d，傷口愈合過程的面積相對變化。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45931-7

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（責任編輯：xu）
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