西安交大申胜平教授团队 CEJ：引入异质界面失配效应同步提升MOFs基电化学驱动器变形能力和响应速度

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电化学驱动器在一定电压下可通过化学反应产生机械能，从而引发驱动行为。相较于传统的驱动方式，电化学驱动凭借其低工作电压、可控变形以及低能耗的优势受到国内外学者的广泛关注。然而，受限于电极材料自身的限制，现有的电化学驱动器很难兼具快响应速度和强变形能力，因此限制了其在人造肌肉、仿生机器人以及微型化医疗设备中的应用。同时，大量研究表明，仅通过选用高性能电容材料或者掺杂不同特性材料很难解决上述问题。

基于此，西安交通大学申胜平教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Heterogeneous Interface Mismatch-Enhanced Metal-Organic Frameworks (MOFs)-Based Electrochemical Actuators”的文章。该研究引入异质界面失配效应，通过构建二维Cu₃(HHTP)₂ MOFs与三维Cu(OH)₂牺牲基底之间的异质界面失配实现了对MOFs纳米结构的精确调控。调控后的Cu₃(HHTP)₂ MOFs不仅保留了其原有的高孔隙率的优势，同时具有可控的晶粒尺寸、均匀且紧密的分布以及更少的层叠结构，使得离子迁移的效率得到显著增强。实验表明，该驱动器具有优异的变形能力（0.463 mm^-1 V^-1），快响应速度（0.031 mm^-1 s^-1 V^-1）以及极低的有效驱动电压（-0.2 V）。同时，受益于高效的离子迁移性能，该驱动器的响应频率上限高达20 Hz，并且具有超过20000次的变频循环稳定性（1-10 Hz）。连续能量密度达到23.94 KJ m^-3，使驱动器可以快速抬起重量超过自身25倍以上的重物，证实其在微型医疗设备等领域的潜在应用。本研究开辟了一种提升电化学驱动器驱动性能的新思路，从而推动了下一代电化学驱动器在人造肌肉、仿生机器人和微型医疗设备等领域的潜在应用。

本论文第一作者为西安交通大学航天航空学院博士生曹宏宇，论文通讯作者为西安交通大学航天航空学院申胜平教授。该研究得到国家自然科学基金重大项目等资助支持。

图1：(a) 异质外延生长方法制备Cu₃(HHTP)₂基电化学驱动器示意图。(b-d) 驱动器制备过程中各阶段的SEM图样及原位光学照片。(e) 二维Cu₃(HHTP)₂ MOF的晶体结构示意图。(f) Cu、C、O元素的对应EDS映射图像。

图2： (a-b) 不同倍率下Cu₃(HHTP)₂ 纳米棒异质生长在单个Cu(OH)₂纳米管表面的TEM图像。(c) TEM拍摄过程中Cu、C、O元素的对应EDS映射图像。

图3：Cu₃(HHTP)₂基驱动器薄膜的光学表征。(a-c) Cu 2p、O 1s、C 1s对应的高分辨XPS光谱；(d-f) 分别为驱动器薄膜的XRD、FT-IR和Raman图像。

图4：Cu₃(HHTP)₂基电化学驱动器的电化学-力学特性。(a) 在-0.3~0 V电位窗口下，扫描速率为5 ~ 100 mV s-1时的循环伏安测试（CV）曲线；CV测量过程中曲率与 (b) 电势和 (c) 时间的关系；其中同一条虚线连接的两点表明在循环过程中具有相同的电压；(d) 不同扫描速率下的曲率；(e) 频率为0.01 Hz的单个方波周期内曲率随时间的演化；(f) 驱动器在-0.3 V、0.01 Hz下的驱动过程；(g)  0.01 Hz下不同恒压下的驱动位移；红色五角星表示执行器尖端的初始位置。

图5： (a) 工作频率为1 Hz时施加电压、电流与曲率变化的对应关系；(b) 在不同频率下的曲率变化。(c-d) 不同工作频率和工作电压下的耐久性。

图6： (a) 载物驱动的光学图像。 (b) 驱动器在-0.4 V工作电压下的载物测试结果。(c) 各类电化学驱动器的性能对比。

图7：异质界面失配效应的调控机制。(a) 异质结构生长示意图 (b)二维/三维异质界面失配对Cu₃(HHTP)₂ MOFs纳米结构的调控。

图8: 10000次循环后电化学驱动器薄膜的 (a) SEM图像及Cu、O、C、Na元素的对应EDS映射图像；(b) XPS全谱图像；(c) Cu 2p高分辨率XPS谱；(d) FT-IR光谱；(e)拉曼光谱。

作者简介

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西安交通大学航天航空学院力化学耦合及智能介质实验室（Chemomechanical Coupling and Intelligent Media Laboratory）围绕力化学耦合理论及热防护结构设计、挠曲电理论及智能器件、飞行器结构强度、环境友好功能材料设计、智能飞行器设计及关键力学问题开展科研工作。实验室承担国家自然科学基金重大项目、重点项目、国家杰出青年科学基金、军科委项目、国防863项目、科技部重点研发项目等。在PRL、JMPS、力学学报、中国科学等学术期刊发表高水平论文200余篇。授权发明专利20余项。获教育部自然科学一等奖2项、国家自然科学二等奖。实验室科研团队由申胜平教授领衔，现有教授3人、副教授5人、博士后研究员4人以及硕、博士研究生40余人，功能模块包括材料合成制备、材料力学、电学、电化学及多场耦合加载测试、功能器件设计及性能表征等，拥有激光脉冲沉积系统（PLD），原子力显微镜（AFM），小载荷测试仪以及电-磁-热-力多场耦合系统等一批先进的材料制备及表征设备。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141081

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