香港大学徐立之课题组《天然·通讯》：高电流输出的水凝胶发电机新打破

  搜集低频机械能并将其转化为高电流和高电荷量的电输出关于许多生物电子器材，尤其是用于体内的生物电子器材来说很有含义。压离效应供给了一种简略的办法，来取得具有低电压和高电流输出的机械能-电能转化办法。但是现在的根据压离效应的设备仅具有很有限的电学输出才能。

  针对这一问题，香港大学机械工程系徐立之教授团队报导了一种新式的具有高电流输出，低内阻，高搬运电荷量的水凝胶发电机。这一发电机以活化后的碳布为作业电极，以图画化的含有氯化锂盐溶液的PVA水凝胶和未经处理的原始碳布为对电极。在循环往复的外部压力作用下可产生高电流输出（2kPa压力下电流为0.25mA，80kPa压力下电流为4mA），搬运电荷量高达916 mC m-2，远超以往报导的器材。这一设备的原理如下：活化后的碳布在外界压力作用下接触到PVA水凝胶，因为具有很多含氧官能团，可吸附很多锂离子，排挤氯离子。外界压力作用下PVA水凝胶产生明显变形，阴阳离子均趋向于从高应变区域向低应变区域搬运。但是因为很多锂离子被锚定在作业电极外表，氯离子流大于锂离子流，在内部表现为净负电荷的定向移动，在外部体现为电子的定向移动。这一器材在可穿戴电子和可植入电子范畴具有很大的使用潜力，如使用于自供电药物贴片。相关作业以“A high-current hydrogel generator with engineered mechanoionic asymmetry”为题宣布在《Nature Communications》，榜首作者为刘红震博士，通讯作者为香港大学的徐立之教授，中科院北京纳米动力与体系研究所的蒲雄研究员和东南大学的巩峰教授。

  图一，a，器材示意图，比例尺1厘米。b，机理解说图。活化碳布接触到水凝胶后吸附锂离子，应力作用下阴离子和阳离子都趋向于向小应变区域搬运。因为活化碳布吸附了很多的锂离子，搬运的氯离子流大于锂离子流，在水凝胶内部形成了定向净电荷流。c，金字塔结构的水凝胶在外部压力作用下的变形模仿。d，碳布活化前后的XPS C1S图。e，短路电流-开路电压-施加压力图。f，功率密度和输出电流随外部负载改变图。

  图二，a，替换不同电极的电流输出比照。b，碳布活化时刻和输出电流的联系。c，碳布和活化碳布对锂离子吸附时的电荷分布图。d，不同体系的吸附能计算成果。e，活化碳布通过PEI润饰和移除的示意图。f，在PEI润饰和移除进程中不同阶段的活化碳布作为电极时的输出电流。g，在PEI润饰和移除进程中不同阶段的活化碳布电极的红外表征成果。

  图三，a，输出电流和氯化锂浓度的联系。b，输出电流和恢复时刻的联系。c，输出电流和应变速率的联系。d，用发电机给2F的电容器充电。e，器材的循环功能测验。f，水凝胶发电机和其他的先进机械能-电能转化设备比照图。g，水凝胶发电机和冲突发电机，电磁感应发电机的输出电流和外部机械影响频率的联系。

  图四，a，水凝胶发电机在有机械影响（蓝域）和无机械影响时驱动电控药物开释体系时药物浓度改变图。b，自供电抗菌贴片的结构示意图。c，一般创可贴（上部）和自供电抗菌贴片（下部）对创伤愈合进程的促进作用相片，比例尺5mm。d，创伤愈合进程的面积相对改变。

  声明：仅代表作者自己观念，作者水平有限，如有不科学之处，请在下面进行留言纠正！