华科大刘逆霜/高义华教授团队AM：机械增强、环境稳定和生物启发的电荷梯度水凝胶膜，用于高效的离子梯度发电和线性自供电传感

大自然是推动绿色能源和技术发展的灵感源泉，电鳗就是利用体内的离子梯度产生高电压和电流的典范。受此启发，已研发出基于离子浓度梯度发电的渗透能量转换系统。然而，大多数受电鳗放电启发的系统中的每个重复单元的电流密度太低，无法为电子设备供电。此外， 以往关于水凝胶人工电器官的研究大多侧重于利用特殊的组装策略或工艺来大规模放大输出，往往忽视了如何最大限度提高系统中各个重复单元的发电量，且缺乏环境稳定性和多功能集成能力 。水凝胶软电源系统的关键核心部件是离子选择性水凝胶渗透膜。然而，这些离子选择性膜的性能往往受到 离子选择性低、膜阻力大和传质不足 的影响，导致功率输出有限。此外，当利用离子梯度发电时，离子通过选择性膜时会在离子浓度较低的一侧积累反离子，导致 离子浓度极化效应和离子选择性降低 ，进而使发电效率降低。因此， 如何在 减轻离子浓度极化的同时促进离子的单向快速扩散 是一个亟待解决的难题 。

为了解决这一问题， 华中科技大学物理学院 / 国家光电研究中心 刘逆霜教授 、 高义华教授 团队提出了一种具有垂直堆叠结构的柔性水凝胶基人造电器官，它可以从离子的化学势梯度中发电， 模拟了电鳐内部电器官的片状叠层结构和离子选择性扩散 。 通过在具有增强机械性能的超薄离子选择性水凝胶膜中构建电荷梯度，加速了离子的传输，实现了高效的离子选择性扩散，同时减轻了离子浓度极化。 单个器件实现了约 290 mV 、 1.46 mA/cm ² 和 0.91 W/m ² 的最高输出值，并具有可充电性。更有趣的是， 在离子梯度完全消散以达到渗透平衡后，器件仍可作为线性自供电压力传感器应用于监测人体活动，集成发电与传感功能于一体。 相关研究以“ Mechanically Enhanced, Environmentally Stable, and Bioinspired Charge-Gradient Hydrogel Membranes for Efficient Ion Gradient Power Generation and Linear Self-Powered Sensing ”发表于《 Advanced Materials 》上。

仿生水凝胶人工发电器官设计与工作机制

作者首先利用细菌纤维素（ BC ）纳米纤维膜增强水凝胶机械性能，通过紫外聚合逐层堆叠含梯度电荷单体的水凝胶前驱体，制备出 纵向电荷密度递减 的两种离子选择性水凝胶膜。该离子选择性水凝胶膜具有 超薄（ 165 μm ）、柔韧及环境稳定 等特性。基于电鳐电器官的 垂直堆叠结构 ，进一步设计了由高盐度水凝胶膜、超薄阴离子选择性水凝胶膜、低盐度水凝胶膜、超薄阳离子选择性水凝胶膜和高盐度水凝胶膜垂直堆叠并组装形成的柔性水凝胶人工电器官。器件在 100 倍离子浓度梯度下驱动 Li⁺ 和 Cl⁻ 选择性迁移 ，通过 反向电渗析原理 发电。此外，器件在完全放电后仍可通过压力诱导离子选择性迁移实现 自供电压力传感 ，电输出响应与压力呈 线性 关系。

图 1. 水凝胶人工电器官的设计

材料结构与特性表征

SEM 和 TEM 测试显示 BC 纳米纤维膜为多孔三维结构，水凝胶均匀包覆 BC 纳米纤维形成 电荷梯度复合膜 （厚度 165 μm ）。 XPS 和 FTIR 证实负电荷选择性膜含 -SO ₃ ⁻ 基团，正电荷选择性膜含 -N⁺(CH ₃ ) ₃ 基团。 EDS 和 Zeta 测试验证了两种离子选择性水凝胶膜中 带电官能团的梯度分布（电荷密度梯度分布） 。 DSC 测试证明了 Solketal 的引入赋予了水凝胶优异的 抗冻性 。 I-V 测试表明电荷梯度的非对称性导致了明显的 整流行为 ， 加速了单向离子传输 。此外，所有的水凝胶膜均具有 良好的 长期稳定性 。

图 2. 水凝胶材料的表征

电输出性能与优化

单个器件实现了约 290 mV 、 1.46 mA/cm ² 和 0.91 W/m ² 的最高输出值，并在 50 次充放电循环 后 容量保持率 >83% ， 优于同类器件 。添加 20% PEDOT:PSS 的低盐度凝胶使输出电流提升了 39.01% 。 电荷梯度设计提高了器件的电输出，降低了能量耗散 。 器件在 -20~40 °C 环境下及室温长期储存后仍能保持较稳定的电输出 。

图 3. 水凝胶人工电器官的电输出性能

电荷梯度机制与理论模拟

密度泛函理论（ DFT ）计算显示，负电荷梯度膜（ CG-CEM ）中 Li⁺ 的迁移能垒（ 0.85 eV ）显著低于均质膜（ CH-CEM, 1.64 eV ），验证了 电荷梯度加速了离子传输 。在电输出性能方面， 电荷梯度驱动的离子二极管效应减少了浓度极化 ，使 输出电流提高了 32.26% 。

图 4. 水凝胶人工电器官的高输出性能的机理分析

自供电压力传感性能和机制

在离子梯度完全消散并达到渗透平衡后，器件还可以通过 压力诱导离子选择性迁移来实现 自供电传感 。自供电压力传感器的电流响应和电压响应具有出色的 线性度 ， 电流响应灵敏度为 22.63 nA kPa ^-1 ，电压响应灵敏度为 45.46 μV kPa ^-1 ，并具有 较快的响应 / 恢复时间 （ 135/163 ms 和 147/179 ms ）和 优异的循环稳定性 。此外，自供电压力传感器具有出色的 耐温和耐干燥性 ，扩展了其在极端环境下的应用范围。有限元模拟和分子动力学模拟都证明了 自供电压力传感器的原理是基于阴离子和阳离子在压力刺激下的选择性扩散 。水凝胶人工电器官具备 发电和自供电压力传感的双重功能 ，大大扩展了该器件的应用范围。

图 5. 水凝胶人工电器官在离子梯度完全消散后的自供电压力传感性能和机制

水凝胶人工电器官的实际应用与多功能集成

水凝胶人工电器官能够为 小型电子设备供电 。串联的集成器件可以分别为红色 LED 、商用计算器供电，也可以在低温环境下分别驱动冰箱内温湿度计和电子计时器，验证了其宽温域稳定性。此外，水凝胶人工电子器官在发电完成后仍可作为 自供电传感器应用 ，能够精确监测人体脉搏波形、检测吹气压力、追踪机器人膝关节运动和手指弯曲活动以及精准响应低温下的手指按压。 水凝胶人工电器官兼具小型电子设备供电与动态生理信号监测的双重功能 ，凸显其在可穿戴设备、人工智能及极端环境中的多功能应用前景。

图 6. 水凝胶人工电器官的实际应用

小结

作者设计了一种具有 环境稳定性的多功能柔性水凝胶人工电器官 ，其垂 直堆叠结构 的灵感来源于电鳐，能够收集盐度梯度化学势能而发电，旨在大幅提高输出功率。通过构建具有 电荷梯度 的离子选择性水凝胶膜， 实现离子的快速和选择性传输，并减轻了离子浓度极化 。此外，在盐度梯度完全消散达到渗透平衡后，器件仍可用作 自驱动压力传感器 ，用于监测人体活动。基于离子选择性传输机制的自驱动压力传感器具有 宽压力感知范围、高灵敏度和高线性度 的特点。该研究阐明了离子选择性膜在水凝胶人工电器官系统中的关键作用，并为高效利用清洁能源和探索自驱动可穿戴传感器提供了新的视角。

https://doi.org/10.1002/adma.202417944