一種基于石墨炔新材料的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器
一種基于石墨炔新材料的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)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(xué)所李玉良院士以及香港理工大學(xué)陶肖明教授等團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)制備了一種基于石墨炔新材料的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器，并從石墨炔材料微觀分子驅(qū)動(dòng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，到宏觀驅(qū)動(dòng)器件的高能量轉(zhuǎn)換效率驅(qū)動(dòng)特性，開展了全面系統(tǒng)的研究。
其中，離子聚合物—金屬?gòu)?fù)合材料（ＩＰＭＣ），也稱為電化學(xué)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)作用下，依靠離子在電極界面的可逆脫嵌過程，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。因其低電壓驅(qū)動(dòng)、柔性大變形等特性，在軟體機(jī)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(xué)術(shù)界公認(rèn)的ＩＰＭＣ材料驅(qū)動(dòng)機(jī)制是電容致動(dòng)機(jī)理，在驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)器的宏觀應(yīng)變。換言之，電極材料儲(chǔ)能越大，驅(qū)動(dòng)效應(yīng)越強(qiáng)。
基于此機(jī)制，各種高儲(chǔ)能的納米材料都被嘗試用作ＩＰＭＣ電極，驅(qū)動(dòng)性能相比于傳統(tǒng)ＩＰＭＣ材料得到大幅提升，但是較實(shí)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(chǔ)能與驅(qū)動(dòng)性能之間并不總是正相關(guān)的，它們之間存在一個(gè)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，電極的能量轉(zhuǎn)換效率主要由材料的電學(xué)特性、孔道構(gòu)型、分子結(jié)構(gòu)以及力學(xué)特性等復(fù)雜因素決定。因此，想要在驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能—轉(zhuǎn)換機(jī)制。
科研團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新型分子驅(qū)動(dòng)機(jī)制——石墨炔烯炔互變效應(yīng)，該機(jī)制完全不同于傳統(tǒng)的電容驅(qū)動(dòng)機(jī)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(cè)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(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這一分子驅(qū)動(dòng)機(jī)制。”
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(xué)儲(chǔ)能特性，同時(shí)，也表現(xiàn)出電—機(jī)械能量轉(zhuǎn)換能力。石墨炔驅(qū)動(dòng)器比電容高，倍率特性良好，換能效率遠(yuǎn)高于同類電化學(xué)換能器件，能量密度與哺乳動(dòng)物生物肌肉能量密度相當(dāng)，將電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的性能提升到了一個(gè)新的水平。
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