Nature Nano: 石墨烯超級電容器電控離子納米限域傳輸

【引言】

開發新型調控材料中粒子（包括電子，光子，離子等）傳輸現象的技術是現代電子學，信息，能源，化工和生物科學的基礎。當今，人們生活早已離不開的手機，電腦等設備的強大計算能力究其根本是可以在納米尺度下用靜電場精準控制電子傳輸的能力。

與計算機芯片相似但又非常不同的是，在諸多生物過程，比如神經信號的傳導，雖然也是一種電信號傳導，其依賴的不是電子，而是離子。在人腦龐大復雜的神經網絡中，神經元之間的信號傳導一個重要基礎是高度程式化和刺激響應控制的離子傳輸。類似電子學，研究人員也長期致力于利用外加電場對離子傳輸進行調控。 然而現有技術所加工的器件對離子傳輸性質的控制幅度非常有限，而且通常需要輸入的控制電壓遠高于生物神經元正常工作的跨膜電勢。

【核心發現】

墨爾本大學化工系李丹教授多年來致力于石墨烯材料的制備及應用開發。該團隊前期發展了一種由多層堆疊石墨烯組裝而成的層間距連續可調的薄膜材料，實現了高能量密度的超級電容器（Science, 341, 534?(2013))。在本研究中，該團隊巧妙地將超級電容器與傳統的膜傳輸實驗結合起來，發現在石墨烯膜上施加一個很小的電壓（< 1 伏）就可以顯著地改變石墨烯層間的雙電層結構，從而實現對層間離子擴散的調控。特別有意思的是，傳統理論認為在施加外加電壓，極化程度變高的情況下離子擴散會變小。然而，研究人員卻發現在層間距小于2?納米的石墨烯膜內的離子擴散速率即使在較低的外加電場的極化下被顯著加強，且控制幅度突破傳統材料。

與墨爾本大學機械工程系劉哲教授帶領的模擬課題組的合作發現，這種反常的電控離子傳輸行為和一種離子-離子關聯作用（ion-ion?correlation）密切相關。并且，這種離子關聯作用在限域（也就是石墨烯片層結構中）尤為顯著。

【圖文導讀】

圖一 ?石墨烯超級電容器實現離子擴散性質的調控

?a)裝置圖；

b) 石墨烯電容器控制層離子傳輸的擴散曲線；

c) 不同電壓下離子擴散控制的響應曲線；

d)電容控制離子傳輸的響應時間和循環穩定特征；

圖二 石墨烯超級電容器控制離子擴散性質隨限域尺度和擴散濃度的標準化控制曲線。

【潛在影響】

這項工作揭示的電控離子傳輸性質的機制以及機制的離子特異性為將來開展研究離子在材料限域中的場效應奠定了基礎，提供了新的實驗手段去實現生理兼容的納米離子器件。該工作也可能為石墨烯基超級電容器打開全新的應用領域。

文章鏈接：Cheng C, Jiang G, Simon G P, et al. Low-voltage?electrostatic modulation of ion diffusion through layered graphene-based nanoporous membranes.?Nature Nanotechnology, 2018.?https://www.nature.com/articles/s41565-018-0181-4

DOI：10.1038/s41565-018-0181-4

【課題組相關文獻推薦】

Li, D, Muller, M. B., Gilje, S., Kaner, R. B. & Wallace, G. G. Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nature Nanotechnology3, 101-105 (2008).

Li, D. & Kaner, R. B. Graphene-based materials. Science320, 1170-1171 (2008).

Qiu, L., Zhang, X. H., Yang, W. R., Wang, Y. F., Simon, G. P. & Li, D. Controllable corrugation of chemically converted graphene sheets in water and potential application for nanofiltration,Chemical Communications?47, 5810-5812 (2011).

Yang, X. W., Qiu, L., Cheng, C., Wu, Y. Z., Ma, Z. F. & Li, D. Ordered Gelation of Chemically Converted Graphene for Next-Generation Electroconductive Hydrogel Films. Angewandte Chemie-International Edition50, 7325-7328 (2011).

Yang, X., Cheng, C., Wang, Y. Qiu, L. & Li, D. Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage,?Science, 341, 534-537?(2013).

Wang, Y., Chen, S., Qiu, L., Wang, K., Wang, H., Simon, G. & Li, D.Graphene-directed supramolecular assembly of multifunctional polymer hydrogel membranes,?Advanced Functional Materials, 25, 126-133?(2015).

Cheng, C., Jiang, G., Garvey, C. J., Wang, Y., Simon, G. P., Liu, J. Z. & Li, D. Ion transport in complex layered graphene-based membranes with tuneable interlayer spacing, Science Advances, 2, e1501272 (2016).

本文由Benze供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作，請加微信cailiaokefu。