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  當液體與固體相接觸時，在二者的界面處會形成雙電層，這是電化學(xué)、微流體學(xué)和膠體化學(xué)等許多研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)。近期的一些研究表明，在不同的環(huán)境刺激下，液固界面雙電層的動態(tài)變化可以對外輸出電功，例如濕度變化、水蒸發(fā)發(fā)電等。此外，機械運動也可以引起固-液界面的動態(tài)變化，從而實現(xiàn)機械能-電能的轉(zhuǎn)換。前期的一些工作報道了基于水滴與介電聚合物間動態(tài)界面的發(fā)電器件。

  近來，中科院納米能源所蒲雄研究員和王中林院士課題組設(shè)計并制備了基于水凝膠-介電聚合物間動態(tài)界面的發(fā)電器件，實現(xiàn)了機械-電能的轉(zhuǎn)換，并基于此構(gòu)建了用于監(jiān)測人體運動的自驅(qū)動柔性力敏傳感器。該器件工作原理為：首先，水凝膠與介電聚合物之間的接觸起電可以使介電聚合物表面帶電，并在水凝膠與介電聚合物間界面形成雙電層；然后，金字塔形水凝膠的周期性機械變形導(dǎo)致雙電層面積和電容的周期性變化，從而在外部電路中感應(yīng)出交流電（圖1a）。該工作認為水凝膠-介電聚合物界面的雙電層是通過界面接觸起電和異號電荷靜電吸引兩步形成的，而界面的接觸起電是主要基于水分子與介電聚合物間的電子轉(zhuǎn)移（圖2）。利用這種基于動態(tài)雙電層的機電轉(zhuǎn)換機制，該工作構(gòu)建了可拉伸的自驅(qū)動壓力傳感器（圖3）。進一步地，通過增加介電彈性體聚合物的表面粗糙度，提高了傳感靈敏度，在 31-300 Pa 的低應(yīng)力范圍內(nèi)，靈敏度可以達到 1.40 kPa^-1；最后，該工作示意了利用此傳感器檢測人體機械運動和生理信號（圖4）。這種機電能量轉(zhuǎn)換器件和相應(yīng)的自驅(qū)動傳感器有望廣泛應(yīng)用于未來的柔性電子器件。該工作以“Electricity Generation and Self-Powered Sensing Enabled by Dynamic Electric Double Layer at Hydrogel-Dielectric Elastomer Interfaces” 為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章的第一作者是中科院納米能源所碩士生賈璐瑤。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖1. 水凝膠-介電聚合物界面處動態(tài)雙電層發(fā)電。

圖2. 水凝膠與介電聚合物的接觸起電機理及優(yōu)化。

圖3. 柔性自驅(qū)動傳感器。

圖4. 自驅(qū)動傳感器檢測微小的人體運動。

  該工作是蒲雄研究員團隊近期利用固-液間動態(tài)界面對外輸出電能的最新進展之一。本工作探究了基于水凝膠-介電聚合物界面處動態(tài)雙電層，實現(xiàn)機械能-電能轉(zhuǎn)換的機理。在之前的工作基礎(chǔ)中，該研究團隊報道了一種基于水凝膠柔性電極的發(fā)電器件，同時實現(xiàn)了人體機械能收集和觸覺傳感（Sci. Adv.2017, 3, e1700015）。近期，該團隊針對可拉伸水凝膠存在溶劑易揮發(fā)、穩(wěn)定性不足的問題，設(shè)計制備了一種動態(tài)交聯(lián)的PEO基固態(tài)離子導(dǎo)體獲得了優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和高的離子電導(dǎo)率，，克服了水凝膠易失水的問題，實現(xiàn)了環(huán)境穩(wěn)定的離子皮膚和電致發(fā)光器件（Adv. Mater. 2021, 33, 2101396）。此外，該課題組還探索了基于不同材料動態(tài)界面的機電能量轉(zhuǎn)換器件和機理，包括本工作的固液界面動態(tài)雙電層、和金屬-半導(dǎo)體聚合物間動態(tài)界面的摩擦伏特效應(yīng)器件等（ACS Energy Lett. 2021, 6, 2442）。

  原文鏈接：http://doi.org/10.1021/acsnano.1c06950