近日，香港理工大学徐宾刚教授研究团队在纳米发电机和电磁波吸收材料的无线智能化领域取得新进展，相关成果以“Hybrid electromagnetic and moisture energy harvesting enabled by ionic diode films”为题，发表在Nature Communications杂志上。文章通讯作者和第一作者分别为香港理工大学徐宾刚教授和高振国博士后研究员。
无线能量响应系统为智能设备的供电和操作提供了基础平台。然而，目前依赖于复杂组件的电子系统限制了它们在复杂环境中灵活使用以及能量收集、存储、传感和通信的无缝集成。针对此关键问题，香港理工大学徐宾刚教授团队提出了由离子二极管效应调节的电磁波吸收和湿气发电对载流子传输和能量相互作用的耦合作用的新策略。通过聚电解质/共轭导电聚合物双层离子二极管（PCID）薄膜作为动态能量交互载体进行电磁-湿气耦合能量收集和信号传输，建立了一种无线能量交互系统。在湿气能量的激发下，薄膜内的离子梯度分布使离子整流成为可能，进一步赋予薄膜电磁能量收集能力。同时，吸收的电磁能驱动电荷载流子的定向迁移和内部离子电流。通过合理调节离子二极管的电解质和介电性能，可以在耦合的电磁-湿气环境下控制目标电信号和能量输出。这项工作为实现无线驱动柔性电子产品增强智能化能量和信息交互性提供了新思路。
图文导读
如图1所示，通过电化学沉积技术将电子导电聚吡（PPy）沉积到离子导电的聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）（P(AAm-co-AAc)）上制备了一系列的PCID。所制备的PCID通过异质膜中载流子通道的反离子选择性不对称性表现出类二极管离子整流效应。与传统基于电子的p-n异质结型二极管不同，基于离子传输的器件中的类二极管的整流行为取决于允许或限制特定离子的流动。这种方法不仅通过操纵离子电荷载体的产生、扩散和迁移特性提供了增强的可控性，而且在实际应用中也表现出更大的潜力。同时，凝胶聚合物电解质也是理想的电解质储能材料，因此PCID用于收集和存储耦合的电磁-湿度能的一体化设备在理论上是可行的。如图2所示，基于开路电压（VO），短路电流（IS）等参数研究了PCID的电磁-湿度能协同捕获能力。P(AAm-co-AAc)/PPy材料显示出显著的离子整流效应，而P(AAm-co-AAc)或P(AAm-co-AAc)/KCl样品则未表现出类似特性。随着PPy的沉积，材料的VO和IS值均显著提高，且PPy作为质子收集层的作用越来越明显。通过电磁辐射，P(AAm-co-AAc)/PPy的VO和IS进一步增强，尤其在低频电磁波下，H+离子的周期性迁移引发VO的波动，随着频率升高，VO的波动幅度逐渐减小并趋于稳定。此外，较高的相对湿度（RH）和温度有助于提高材料的离子导电性，进一步增强电磁波吸收与湿度响应的耦合作用。长期稳定性测试表明，PCID在一周后，IS值仍保持95%以上，显示出良好的长期稳定性。如图3所示，从电解质和电介质特性两个角度综合分析了PCID的电磁-湿度能的耦合机理。随着AAc比例的增加，P(AAm-co-AAc)材料中的H+浓度显著升高，这表明其能够从空气中吸附水分并激发COOH基团的电离。KCl溶液浸泡增加了H+浓度，并通过Hofmeister效应促进了水合电解质的亲水性，而PPy的沉积则显著降低了H+浓度，证明PPy作为质子吸附层，有效促进了H+从P(AAm-co-AAc)到PPy的迁移，从而形成潜在差异。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，发现P(AAm-co-AAc)/KCl的离子电导率高于纯P(AAm-co-AAc)，但随着AAc比例的增高，离子电导率呈现先降后升的趋势，这与KCl引入的新电荷载体和P(AAm-co-AAc)分子链的溶胀有关。PPy的沉积增强了离子导电性，并有效降低了电荷传输电阻（Rct）。此外，通过电容器模型和复介电常数分析，P(AAm-co-AAc)/PPy在较高频率下表现出更强的能量存储和释放能力。最终，通过基于PNP方程的有限元分析（FEA）和分子动力学模拟进一步验证了电磁与湿度响应的耦合机制，表明在低频下，PCIDs的电介质储能能力与表面电位差是负相关的。如图4所示，基于特定负载下的直流电输出功率（Pden），研究了PCID的电磁-湿度能协同捕获性能与机制。在仅湿气条件下，P(AAm-co-AAc)/PPy材料在AAc比例较高时表现出更高的Pden值，且PPy沉积有助于提高能量输出。通过与1MΩ负载串联测试，MC75-3在湿气条件下达到了0.46 mW·m-2的Pden值。在0.1Hz至10,000Hz的电磁波辐射下，Pden值明显增加，MC75-3在10,000Hz下的Pden值为0.49 mW·m-2。Pden与介电损耗角正切值（tanδɛ）呈正相关，反映了电磁波的部分能量被转换为电能。PCID的电磁-湿度耦合机制通过理论模拟和实践表征进行了分析，结合了极化松弛效应和二极管效应，促进了湿度能量和电磁能量的协同捕获与转化。通过基于电位移场的FEA进一步验证了PCID在交变电场激励下的动态能量转化行为。本研究创新性地提出了一种基于PCID的电磁-湿度耦合无线能量交互系统，成功实现了电磁能量与湿度能量的协同捕获。通过湿气引发的二极管整流效应，本系统建立了湿度发电与电磁能量捕获的耦合机制，突破了传统能源收集的局限性。研究深入探讨了PCID的电解质和介电特性对能量转化效率的影响，发现较强的界面极化和电荷迁移松弛能够显著提升能量转换效率。该工作为未来自供电辐射监测、无线充电和信息加密等智能系统的发展开辟了新思路，具有广泛的应用潜力。徐宾刚教授，香港理工大学教授，博士生导师，现任时装与纺织学院研究型研究生委员会主任、研究委员会副主任。长期从事智能及可持续可穿戴设备、可穿戴电子产品、能量收集、转换和存储、计算机视觉和人工智能。在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials, 等国际期刊发表SCI论文200余篇，拥有授权专利12项。在斯坦福大学的报告中，被评为全球被引用次数最多的科学家前2%。此外，受邀担任30多家世界领先期刊的审稿人。带领团队分别于2017年和2018年在瑞士日内瓦国际发明展上连续获得评委会颁发的金奖。个人主页：
https://research.polyu.edu.hk/en/persons/bingang-xu高振国，博士，香港理工大学博士后研究员，主要从事电磁波吸收及屏蔽材料、智能柔性电子材料及器件、可穿戴能量收集及传感材料的设计与开发。以第一作者/通讯作者身份在Nature Communication, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等期刊发表论文20余篇，其中热点论文5篇，高被引论文10篇，总引用3000余次，h因子32。入选2024年全球前2%顶尖科学家。个人主页：
https://scholar.google.com/citations?user=vrUhF5EAAAAJ&hl=zh-CN
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-55030-2声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
