一種基于石墨炔新材料的電化學驅(qū)動器

一種基于石墨炔新材料的電化學驅(qū)動器

近日，中科院蘇州納米所研究員陳韋課題組與中科院化學所李玉良院士以及香港理工大學陶肖明教授等團隊合作，設(shè)計制備了一種基于石墨炔新材料的電化學驅(qū)動器，并從石墨炔材料微觀分子驅(qū)動機制的發(fā)現(xiàn)，到宏觀驅(qū)動器件的高能量轉(zhuǎn)換效率驅(qū)動特性，開展了全面系統(tǒng)的研究。

其中，離子聚合物—金屬復(fù)合材料（ＩＰＭＣ），也稱為電化學驅(qū)動器。它是由兩層電極與離子聚合物組裝而成的三明治結(jié)構(gòu)，在電場作用下，依靠離子在電極界面的可逆脫嵌過程，實現(xiàn)電能與機械能的轉(zhuǎn)換。因其低電壓驅(qū)動、柔性大變形等特性，在軟體機器人、智能穿戴以及醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用前景廣闊。

目前學術(shù)界公認的ＩＰＭＣ材料驅(qū)動機制是電容致動機理，在驅(qū)動電壓刺激下，一定數(shù)量的離子在電極層中的預(yù)膨脹、嵌入、嵌出，引起電極材料的可逆膨脹與收縮效應(yīng)，這種效應(yīng)導致了驅(qū)動器的宏觀應(yīng)變。換言之，電極材料儲能越大，驅(qū)動效應(yīng)越強。

基于此機制，各種高儲能的納米材料都被嘗試用作ＩＰＭＣ電極，驅(qū)動性能相比于傳統(tǒng)ＩＰＭＣ材料得到大幅提升，但是較實際應(yīng)用仍然存在較大的差距，曾經(jīng)一度成為人們難以理解的困惑。究其原因，儲能與驅(qū)動性能之間并不總是正相關(guān)的，它們之間存在一個能量轉(zhuǎn)換效率的問題。

經(jīng)過大量的調(diào)研與探索，科研團隊發(fā)現(xiàn)，電極的能量轉(zhuǎn)換效率主要由材料的電學特性、孔道構(gòu)型、分子結(jié)構(gòu)以及力學特性等復(fù)雜因素決定。因此，想要在驅(qū)動性能和應(yīng)用上取得突破，就必須發(fā)展新型納米結(jié)構(gòu)活性材料，探索新的儲能—轉(zhuǎn)換機制。

科研團隊提出并實驗驗證了一種新型分子驅(qū)動機制——石墨炔烯炔互變效應(yīng)，該機制完全不同于傳統(tǒng)的電容驅(qū)動機制，它是基于可逆配位轉(zhuǎn)換效應(yīng)引起的材料結(jié)構(gòu)變化。“由于常規(guī)檢測手段（如拉曼、紅外等）難以捕捉這一分子尺度的配位轉(zhuǎn)換效應(yīng)，于是，我們創(chuàng)造性地利用高靈敏的原位和頻共振光譜技術(shù)，從實驗上驗證了這一分子驅(qū)動機制?！?br>
陳韋解釋道，正是由于這種活性功能單元的作用，石墨炔ＩＰＭＣ柔性電極不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學儲能特性，同時，也表現(xiàn)出電—機械能量轉(zhuǎn)換能力。石墨炔驅(qū)動器比電容高，倍率特性良好，換能效率遠高于同類電化學換能器件，能量密度與哺乳動物生物肌肉能量密度相當，將電化學驅(qū)動器的性能提升到了一個新的水平。

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