隨著全球對可持續能源需求的不斷增長，離子梯度能（亦稱“藍色能源”）因其可再生性與豐富性而引起了廣泛的研究關注。通過耦合光場作用，當前光響應反向電滲析體系通過提升化學勢梯度，加強離子跨膜遷移效率，從而進一步提升能量轉換及輸出。然而，化學勢梯度的單調放大僅能實現能量輸出的單向增強，且存在過度能量釋放的問題。
近日，中國科學院大學/中國科學院杭州醫學研究所趙紫光研究員、南方科技大學陳偉鵬研究助理教授報道了一種納米相分離異質凝膠（NSH）光離子電子體系，實現了光誘導下離子梯度能量轉換的雙向寬幅調控。
相關論文以“Nanophase-Separation Heterogel Photoiontronics for Bidirectional Ion-Gradient Energy Conversion Modulation”為題，發表在ACS Nano上，論文第一作者為國科大碩士研究生朱星玥、蘇州大學副教授教授周柯、國科大博士研究生吳之心。
研究人員利用納米相分離界面聚合方法，將導電聚合物PEDOT納米域嵌入陽離子選擇性凝膠基體中，形成了具有多重異質界面結構的柔性網絡。其中，高度水合的聚電解質鏈波動促進了選擇性離子集群傳輸，PEDOT納米域促進了光誘導界面電勢的產生，從而精確調節離子的傳輸效率。當光場沿順、逆離子梯度方向照射時，體系內可分別產生削弱或增強化學勢差的異質界面內建電勢，實現能量輸出的雙向調節（圖1）。
圖1.納米相分離異質凝膠（NSH）的設計與制備用于雙向離子梯度能量轉換調制。
該體系在500倍鹽濃度梯度下輸出功率密度高達137.62 W/m2，并可在光照條件下于107.91–198.82 W/m2之間實現雙向調控，顯著突破了傳統光響應膜單向能量增強的局限，為離子梯度能量轉換的動態調控提供了新的策略（圖2）。得益于PEDOT納米域與凝膠網絡的協同作用，多重異質界面的構建不僅提高了光調控能力，也賦予材料優異的結構穩定性，使其壓縮模量達到17.1 kPa，在高鹽環境下保持穩定抗溶脹性能超96 h.與此同時，體系在–10 °C低溫條件下仍展現出134%的功率調制比，體現出優異的環境適應性。此外，該光離子電子體系可與鈣鈦礦太陽能電池集成，構建光適應型太陽–滲透能耦合系統，在不同光照強度下實現輸出電流從 34.66 μA 到 93.77 μA 的動態變化，調節幅度高達 270%，展現出優異的光適應與能量管理潛力。該研究工作得到了國家自然科學基金委員會的大力支持。
圖2 雙向離子梯度能量轉換調控。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12977
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