随着人们对与生命系统紧密结合的设备的需求,更兼容、更稳定的界面被强调,以实现人机无缝通信。近年来,由于与生物组织在机械和成分上的相似性,由凝胶基软物质组成的软离子电子器件被开发出来,以弥补天然/合成体系之间的差距。然而,实现高性能的离子二极管仍然是一个挑战;此外,大多数报道的水溶液型离子二极管不能在极端温度下工作,这严重阻碍了它们的实际应用中国化工网okmart.com。
近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员团队,报告了一种由乙二醇(EG)/水二元溶剂系统实现的高整流、耐极端温度的柔性水凝胶离子二极管,它具有优异的高温(100°C)脱水性能和低温(−20°C)防冻性能,整流率高达1201(EG含量为0%时)和566 (EG含量为40%时),明显优于以往的报道。此外,离子二极管高度整流和快速操作的特点允许它与其他功能单元轻松集成,与摩擦电纳米发电机(TENG)结合后实现有效的生物力学能量收集和转换。相关工作以“Flexible Ionic Diodes with High Rectifying Ratio and Wide Temperature Tolerance”发表在《Advanced Functional Materials》。
【柔性离子二极管的制备和表征】
柔性离子二极管由两个金属电极(Zn和Ti)、一层透明离子凝胶和一层封装层组成。制造的二极管实体具有高透明度和灵活性,并且它可以很容易地安装在人体皮肤上,能够兼容可穿戴和柔性设备的需求。
图1 柔性离子二极管的制备和表征
【柔性离子二极管的工作原理】
离子二极管的工作原理可以从根本上归因于水溶液中H+在不同电极表面的不对称还原电位。当偏压升高到足以克服电极反应的障碍时,两电极的氧化还原反应启动,将二极管切换到“ON”状态。相反,当施加反向偏压时,由于存在较大的过电位,阻碍了H+在Zn电极表面的还原反应,负离子/阳离子的迁移被抑制,导致电路的失效形成,从而二极管处于“OFF”状态。
图2 柔性离子二极管的工作原理
该柔性离子二极管的最佳整流比分别为1201 (EG含量为0%)和566 (EG含量为40%)。这种整流性能优于以往文献报道的大多数离子二极管。
【柔性离子二极管的极端耐温性】
EG溶剂的引入赋予柔性离子二极管的极端耐温性:(1)EG分子与水分子形成强氢键产生的锁水效应使得自由水分子不容易在高温下蒸发或在零度以下结冰;(2)EG的高含量会降低EG/水体系的离子电导率,抑制离子的转移速度,从而抑制其整流性能;(3)EG溶剂中游离的H+要比水中少得多,使正向偏压下的阴极反应更加困难。
图3 柔性离子二极管在低温(−20°C)下的整流性能
柔性离子二极管在宽温度窗下工作良好,在100℃时整流比为313,甚至在−20℃时整流比为18;在60℃下工作60 min后,EG二极管整流率保持在初始值的94%,失重率仅为2%,工作180 min后,EG凝胶可保持初始导电性的79%。
图4 柔性离子二极管在高温(60°C)下的整流性能
【用于生物力学能量收集的柔性离子二极管】
由于离子二极管具有高度整流和快速操作的特点,可以很容易地与其他功能组件集成。将TENG与四二极管桥构建的一个柔性全波整流电路整合在一起,可以实现高效的能量输入和快速的能量输出。
图5 柔性离子二极管与TENG集成后实现高效的生物力学能量收集和转换
【小结】
在这里提出了一种高整流、耐极端温度且可以轻松与其他功能器件集成的柔性水凝胶离子二极管,它在较宽的温度窗(−20~100℃)下仍能保持良好的整流性能,与传统的水凝胶基离子二极管由于电解液冻结或蒸发而导致的性能急剧失效形成鲜明对比。该柔性离子二极管在未来兼容生物电子学中具有广阔的应用前景,有望为工程器件和生物界面的开发开辟新的途径。