中科院纳米能源所蒲雄研究员、王中林院士团队ACS Nano：通过水凝胶-介电弹性体界面处的动态双电层实现发电和自供电传感

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当液体与固体相接触时，在二者的界面处会形成双电层，这是电化学、微流体学和胶体化学等许多研究领域的基础。近期的一些研究表明，在不同的环境刺激下，液固界面双电层的动态变化可以对外输出电功，例如湿度变化、水蒸发发电等。此外，机械运动也可以引起固-液界面的动态变化，从而实现机械能-电能的转换。前期的一些工作报道了基于水滴与介电聚合物间动态界面的发电器件。

近来，中科院纳米能源所蒲雄研究员和王中林院士课题组设计并制备了基于水凝胶-介电聚合物间动态界面的发电器件，实现了机械-电能的转换，并基于此构建了用于监测人体运动的自驱动柔性力敏传感器。该器件工作原理为：首先，水凝胶与介电聚合物之间的接触起电可以使介电聚合物表面带电，并在水凝胶与介电聚合物间界面形成双电层；然后，金字塔形水凝胶的周期性机械变形导致双电层面积和电容的周期性变化，从而在外部电路中感应出交流电（图1a）。该工作认为水凝胶-介电聚合物界面的双电层是通过界面接触起电和异号电荷静电吸引两步形成的，而界面的接触起电是主要基于水分子与介电聚合物间的电子转移（图2）。利用这种基于动态双电层的机电转换机制，该工作构建了可拉伸的自驱动压力传感器（图3）。进一步地，通过增加介电弹性体聚合物的表面粗糙度，提高了传感灵敏度，在 31-300 Pa 的低应力范围内，灵敏度可以达到 1.40 kPa^-1；最后，该工作示意了利用此传感器检测人体机械运动和生理信号（图4）。这种机电能量转换器件和相应的自驱动传感器有望广泛应用于未来的柔性电子器件。该工作以“Electricity Generation and Self-Powered Sensing Enabled by Dynamic Electric Double Layer at Hydrogel-Dielectric Elastomer Interfaces” 为题发表在《ACS Nano》上。文章的第一作者是中科院纳米能源所硕士生贾璐瑶。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. 水凝胶-介电聚合物界面处动态双电层发电。

图2. 水凝胶与介电聚合物的接触起电机理及优化。

图3. 柔性自驱动传感器。

图4. 自驱动传感器检测微小的人体运动。

该工作是蒲雄研究员团队近期利用固-液间动态界面对外输出电能的最新进展之一。本工作探究了基于水凝胶-介电聚合物界面处动态双电层，实现机械能-电能转换的机理。在之前的工作基础中，该研究团队报道了一种基于水凝胶柔性电极的发电器件，同时实现了人体机械能收集和触觉传感（Sci. Adv.2017, 3, e1700015）。近期，该团队针对可拉伸水凝胶存在溶剂易挥发、稳定性不足的问题，设计制备了一种动态交联的PEO基固态离子导体获得了优异的环境稳定性和高的离子电导率，，克服了水凝胶易失水的问题，实现了环境稳定的离子皮肤和电致发光器件（Adv. Mater. 2021, 33, 2101396）。此外，该课题组还探索了基于不同材料动态界面的机电能量转换器件和机理，包括本工作的固液界面动态双电层、和金属-半导体聚合物间动态界面的摩擦伏特效应器件等（ACS Energy Lett. 2021, 6, 2442）。

原文链接：

http://doi.org/10.1021/acsnano.1c06950

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