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  當(dāng)液體與固體相接觸時(shí)，在二者的界面處會(huì)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(dòng)態(tài)變化可以對(duì)外輸出電功，例如濕度變化、水蒸發(fā)發(fā)電等。此外，機(jī)械運(yùn)動(dòng)也可以引起固-液界面的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。前期的一些工作報(bào)道了基于水滴與介電聚合物間動(dòng)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(jì)并制備了基于水凝膠-介電聚合物間動(dòng)態(tài)界面的發(fā)電器件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械-電能的轉(zhuǎn)換，并基于此構(gòu)建了用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)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(jī)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(rèn)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(hào)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(dòng)態(tài)雙電層的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制，該工作構(gòu)建了可拉伸的自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器（圖3）。進(jìn)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(dá)到 1.40 kPa^-1；最后，該工作示意了利用此傳感器檢測(cè)人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)和生理信號(hào)（圖4）。這種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器件和相應(yīng)的自驅(qū)動(dòng)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(guó)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(dòng)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(jī)理及優(yōu)化。

圖3. 柔性自驅(qū)動(dòng)傳感器。

圖4. 自驅(qū)動(dòng)傳感器檢測(cè)微小的人體運(yùn)動(dòng)。

  該工作是蒲雄研究員團(tuán)隊(duì)近期利用固-液間動(dòng)態(tài)界面對(duì)外輸出電能的最新進(jìn)展之一。本工作探究了基于水凝膠-介電聚合物界面處動(dòng)態(tài)雙電層，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換的機(jī)理。在之前的工作基礎(chǔ)中，該研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于水凝膠柔性電極的發(fā)電器件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人體機(jī)械能收集和觸覺傳感（Sci. Adv.2017, 3, e1700015）。近期，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(jì)制備了一種動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)界面的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器件和機(jī)理，包括本工作的固液界面動(dòng)態(tài)雙電層、和金屬-半導(dǎo)體聚合物間動(dòng)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