科学网—华科刘逆霜、中科大学张振等：基于极化MXene的静息电位型全固态离子渗流能源源
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2026-8-13 08:43
| 系统分类: 论文交流
Resting-Potential-Inspired Solid-State Iontronic Osmotic Power Source Enabled by Polarized MXene
Ziqi Ren, Long Zhang, Qixiang Zhang, Jianyu Yin, Mingfang Deng, Xubin Zhou, Qianqian Yao, Songzhan Li, Yihua Gao, Zhen Zhang*, Nishuang Liu*
Nano-Micro Letters (2026)18: 449
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02310-9
本文亮点
1. 仿生静息电位，机制与结构一体化： 以细胞膜钾离子泄漏通道为蓝图，将K⁺活度梯度扩散与极化MXene电极费米能级差耦合；同时把电极、集流体、离子选择层和离子储层集成进两片MXene，仅以三个构筑单元实现全固态输出。
2. 超薄高功率，模块化拓展： 单元初始开路电压达0.579 V，最大 面积功率密度 为17.5 μW cm⁻²、体积功率密度达1030 μW cm⁻³；串并联阵列可输出约8.6 V或3.1 mA，并直接驱动商业电子器件。
研究背景
自然界以离子作为信息与能量载体。细胞膜上的离子通道通过选择性传输和局域电荷调控，建立膜电位并支撑神经传导、肌肉收缩等生命过程。渗透能量转换与这一生物电机制具有相同的物理内核：离子沿 化学势梯度 定向迁移，释放的吉布斯自由能被转化为可利用的电能。近年来，仿生离子电子学由此拓展出纳米流体传感、软体电源和渗透能量器件等新方向。
然而，现有小型化渗透能量源仍受两类问题制约：离子—电子耦合不足，输出功率受限；离子储层、选择层、电极与集流体依赖多层堆叠，导致器件厚重、装配复杂，并伴随泄漏或干涸风险。生物静息电位仅凭K⁺梯度、通道选择性与膜表面电荷即可建立电势，提供了更简洁的设计范式。
内容简介
针对上述瓶颈， 华中科技大学刘逆霜、中国科学技术大学张振 团队 以生物静息电位为设计蓝图，利用MXene兼具二维纳米流体通道、可调表面端基和高电子电导的特点，构筑了全固态离子电子渗透能量源(iontronic osmotic power source，IOPS)。器件仅包含三部分：经APTES端基修饰、具有较高功函数的P-MXene正极；预插层K⁺、兼具离子储层与负极功能的N-MXene(K⁺)；以及由纤维素膜和[EMIM][TFSI]构成的 无水离子凝胶 。
器件组装后，N-MXene(K⁺)层间预储的K⁺沿活度梯度进入离子凝胶，形成扩散势；与此同时，两种极化MXene的功函数差诱导不对称界面电荷重排并建立内建电势。实验表征、有限元计算、密度泛函理论和分子动力学模拟共同表明，初始电压并非来自单一过程，而是电极能级不对称与K⁺扩散动力学的热力学协同。该结构还可通过外加0.5 V重新建立非平衡K⁺分布，实现扩散贡献的恢复与循环使用。
图文导读
I 从细胞静息电位到全固态IOPS：把“离子仓库”装进电极
将静息电位中的K⁺浓度梯度、钾泄漏通道和膜表面电荷调控映射至IOPS。N-MXene(K⁺)层间同时充当K⁺储库、阳离子选择通道、负极和集流体；APTES修饰的P-MXene作为正极；纤维素/[EMIM][TFSI]离子凝胶提供连续固态通路。传统上彼此分离的离子仓、选择膜、电极和集流模块由此被压缩为三个构筑单元，SEM及有限元/分子动力学分布验证了这一高度集成架构。
图 1. 仿生设计、工作原理及全固态IOPS的结构与模拟分布 。
II 单元输出：高体积功率与可恢复的非平衡离子梯度
单元初始开路电压为0.579 V，峰值短路电流密度达415 μA cm⁻²。K⁺梯度逐步弛豫后，300 h时仍保留约0.187 V，主要对应异质电极的内建界面电势；外加0.5 V可重建非平衡K⁺分布，50次充放电循环后恢复率仍超过92%。在2 kΩ匹配负载下，面积和体积功率密度分别达到17.5 μW cm⁻²和1030 μW cm⁻³。器件在0°～150°弯曲及−10～80 ℃范围内均可稳定工作。
图 2.单个IOPS的器件结构、输出性能、循环恢复能力与柔性稳定性 。
III 拆解电压来源：功函数差与K⁺梯度扩散
电极替换实验首先证明，预插层K⁺的扩散贡献与异质电极能级差均不可缺失。KPFM测得P-MXene、N-MXene和N-MXene(K⁺)的功函数分别为5.033、4.881和4.518 eV，表明K⁺插层抬升了负极费米能级，而APTES端基使正极保持较低费米能级。EDS和ICP-OES又直接捕捉到K⁺由负极进入离子凝胶。由此，IOPS的初始输出应理解为电极界面势与K⁺扩散势的协同叠加，而非单一静态接触电势或浓差电势。
图3. IOPS工作机制 。
IV 原子尺度图景：K⁺以接触离子对方式“链式跳跃”
DFT结果显示，N-MXene端基对K⁺具有强吸附，其中Ti₃C₂O₂/K⁺结合能为−3.04 eV，而P-MXene作用明显较弱，支持两侧不对称双电层的形成。在无水离子凝胶中，K⁺主要与TFSI-构成接触离子对，并与纤维素氧共同形成局域溶剂化壳层；其扩散系数为1.09×10-7 cm² s⁻¹。界面迁移呈H1→H2→H3跳跃，能垒约0.985 eV。整体MD轨迹进一步显示K⁺/EMIM⁺与TFSI⁻发生反向迁移，完成持续的载流子重排。
图 4.DFT与MD揭示极化MXene界面作用、K⁺溶剂化结构及迁移路径 。
V 从单元到阵列：串并联、柔性供能与折叠触发
平面化单元可像电路元件一样按需串并联：17个单元串联输出约8.6 V，12个单元并联的最大短路电流达3.1 mA，可直接驱动温湿度计和电致变色器件。为避免组装后离子梯度提前耗散，研究进一步提出折叠触发设计：展开时离子凝胶与N-MXene(K⁺)分离，折叠接触后立即激活。五单元串联可输出约2.83 V，且电压随单元数近似线性增长，体现出便携、即时响应和按需启动的应用潜力。
图 5. IOPS的串并联集成、商业器件供能与折叠触发设计 。
VI 总结
本研究将对生物静息电位核心物理机制转译为材料与器件设计：以N-MXene(K⁺)层间通道模拟离子储库和选择性泄漏通道，以P-MXene/N-MXene(K⁺)的极化差异模拟膜界面电荷不对称，再以无水纤维素离子凝胶建立稳定的固态迁移环境。K⁺活度梯度与电极能级差由此在同一超薄器件中协同工作。
更重要的是，MXene的离子—电子耦合能力被用于完成器件层级的功能合并：电极、集流体、离子选择层和离子仓不再依赖多层堆叠，而被集成进两片极化MXene中，使IOPS仅需三个构筑单元即可运行。该设计同时获得0.579 V初始开路电压、1030 μW cm⁻³体积功率密度、可恢复循环输出以及良好的柔性和环境适应性。
从机制上看，该工作明确区分了可消耗、可重建的扩散势与由异质电极维持的残余界面电势；从应用上看，串并联阵列和折叠触发方案进一步证明了其可重构性。研究将生物离子梯度原理与新兴离子电子学相结合，为紧凑型固态渗透能量源、便携式响应电源及人工电器官相关器件提供了新的材料设计范式。
作者简介
张振
本文通讯作者
中国科学技术大学 教授
▍ 主要研究 领域
(1)多维度仿生纳米通道薄膜的设计；(2)水和离子在限域纳米通道中传输行为的研究及其调控；(3)基于限域纳米通道薄膜的能源传感体系。
▍ 主要研究成果
中国科学技术大学特任教授，国家高层次青年人才，全球前2%顶尖科学家(2021-2025)，德国“洪堡”学者，姑苏领军人才。2013年6月本科毕业于吉林大学化学学院，2018年6月博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：江雷院士），随后受德国洪堡基金会的资助，先后在德累斯顿工业大学和马克斯普朗克微结构物理研究所从事博士后研究，2021年8月起任课题组长（合作导师：冯新亮教授，德国工程院院士，欧洲科学院院士），2022年6月加入中国科学技术大学苏州高等研究院/化学与材料科学学院。主要研究方向为 仿生微纳孔 材料及其能源传感应用，在国际综合和专业期刊发表SCI论文60余篇，其中第一作者或通讯作者论文 30余篇，包括Nat. Rev. Mater. 1篇，Nat. Synth. 1篇，Nat. Commun. 6篇，PNAS 1篇，Sci. Adv. 1篇，Chem. Soc. Rev. 2篇，J. Am. Chem. Soc. 6篇，Adv. Mater. 8篇，Angew. Chem. Int. Ed. 4篇，总计被引用8500余次，H因子49 (Google Scholar)，12篇论文入选ESI高被引论文，曾获中国科学院“院长特别奖”，中国科学院“百篇优秀博士学位论文”， 唐敖庆化学奖 等。任中国科学技术大学纳米科学与工程一级交叉学科建设委员会委员，苏州市科协青年工作委员会委员，《Ionotronics》期刊编委，《Green Carbon》《Chinese Chemical Letters》期刊青年编委。
▍ Email： zhenzhang@ustc.edu.cn
刘逆霜
本文通讯作者
华中科技大学 教授
▍ 主要研究 领域
纳米光电材料与器件、自供能纳米系统、传感器与能源存储设备。
▍ 主要研究成果
2002年进入武汉大学物理学院学习，2011年12月起任职于华中科技大学物理学院。博士期间从事ZnO纳米光电器件研究，在Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文十余篇。2013年以第一作者在Adv. Mater.发表棉线基三维超级电容器研究成果 ，2015年参与发现赝负光电导效应并发表于Adv. Mater.。主持国家自然科学基金青年基金等科研项目 。担任Adv. Mater.等期刊审稿人，曾获教育部'博士研究生学术新人奖' 。以通讯作者在Nano Energy、J. Phys. Chem. C等期刊发表压力传感器系列研究成果 。
▍ Email： nishuang_liu@foxmail.com
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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