国科大/理化所/清华JACS：内盐差梯度异质界面材料实现高效压电能量转换

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-27 07:50

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近日，理化所闻利平教授、国科大赵紫光副教授、清华大学徐志平教授在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.，doi.org/10.1021/jacs.4c13305）发表最新研究成果，开发了一种具有内盐差梯度的两相异质界面材料，成功实现了高效压电能量转换。

该研究灵感来源于自然界电鳗的高效放电机制。电鳗通过其独特的多细胞室结构，实现不对称的离子传输，借助跨膜离子梯度产生高电压，以用于捕食或自我防御。受此启发，研究团队通过设计水凝胶与有机凝胶的微相结构，构建出具有多级异质界面的两相材料，并在材料内建立了稳定的内盐差梯度。与传统均相离子压电材料相比，该材料的异质界面可建立差异化的阴/阳离跨界面传输能垒（ΔE），并利用多级界面结构进一步放大离子传输差异，有效提升了净离子流的产生效率。在压电过程中，源于内盐差梯度的化学势进一步促进高通量离子传输，大幅提高了压电能量转换效率。异质界面材料基压电系统的最大压电功率密度达到150 W/m³，并可维持输出压电能量达24小时。基于这一创新材料，研究团队还开发了一种离子压电神经调控装置。该装置能够连接瘫痪的迷走神经，通过压电信号有效调节啮齿动物的血压，充分展示了其在神经调控、生物混合机器人以及可植入设备领域的应用潜力。

这项研究为开发高效离子信号传输与能量转换系统提供了新的思路，为仿生学和离子电子学领域带来了更多潜在的应用可能性。论文第一作者为理化所陈伟鹏博士、清华大学博士生张傲和首都医科大学张苏丽副教授，通讯作者为赵紫光副教授、徐志平教授及闻利平研究员。这篇工作也是该研究团队本年度第二篇JACS研究论文（Intercellular Ion-Gradient Piezoheterogated Biphasic Gel for Ultrahigh Iontronic Generation）。这些研究工作得到了国家自然科学基金委和科技部的大力支持。