【中稿作品】Nanoscale: 定制纳米电化学驱动器结构解决快速响应和大变形问题

中稿作品解读

文章信息

Tailoring the nanostructures of electrochemical actuators for fast response and large deformation

L. Ji, Y. Yu, Q. Deng and S.P. Shen,

https://doi.org/10.1039/D0NR03751F

电化学驱动器（EA）可在低电压作用下通过发生化学反应而产生机械能，对于电化学驱动器而言，响应速率和变形能力是两个至关重要但又相互对立的参数。研究表明，仅通过选取新材料或杂化不同特性的材料很难实现响应速率与变形幅值的同步提升。由此，其二者的同步提升也成为了电化学驱动技术领域的一大挑战。本研究通过调控驱动薄膜的纳米结构实现了响应快、变形大的电化学驱动器。

西安交通大学申胜平课题组通过定制EA的纳米结构克服了这一挑战。他们报告了通过聚集球形MoS2纳米颗粒（NP）形成的3D纳米多孔结构。NP聚集的纳米孔结构不仅提供了快速的离子迁移过程，而且还确保了强大的机械强度。实验表明，电压相关的响应速率和曲率幅度分别接近0.015 mm−1·s−1·V−1 和 0.244 mm−1·V−1，这同时超过了大多数EA。连续能量密度可达14 kJ·m−3，几乎是哺乳动物肌肉的两倍，使EA能够旋转重量超过其自身550倍的不锈钢重物。通过开辟一种提高EA的综合性能的新方法，这项研究推动了电化学制动器在微型机器人和小型医疗设备中的潜在应用。

图1  EA的特征，发展和机遇。（a）图显示响应速度和形变能力之间的对立关系。（b）各种EAs的性能。 插图显示了EAs纳米结构从单层结构到多层结构的发展。（c）这项工作中报道的3D NPs聚集的纳米孔结构示意图。

图 2  薄膜的结构特征。（a）NPs聚集的纳米多孔膜的SEM图像。（b）结晶NP的TEM图像。（c）3D AFM图像。（d）脱落的NP的HAADF-STEM图像。（e）和（f）分别是Mo和S元素的对应EDS映射图像。

图3  NPs聚集的纳米多孔EA的电化学和机械性能。 （a）在5-1000mV/s的扫描速率下电流与施加的电势之间的关系。（b）在实验测试中EA的比电容。 （c）和（d）将EA从0.35V驱动到-0.35V。（e）在完整的驱动过程中，曲率与施加的电位之间的关系。 红点和箭头分别指示电化学反应的起源和方向。（f）扫描速率对EA的弯曲曲率的影响，α1和α2是曲率上升和下降的斜率，分别代表正驱动和负驱动的速率。

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■ Vol. 30  No.34  Augest 19, 2020

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■ Vol. 10  No.31  Augest 18, 2020

Flow Batteries: Modeling and Simulation of Flow Batteries (Adv. Energy Mater. 31/2020)

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■ Vol. 12  No.33  Augest 19, 2020

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■ Vol. 124  No.30  July 30, 2020

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