Nature Nano: 石墨烯超级电容器电控离子纳米限域传输

【引言】

开发新型调控材料中粒子（包括电子，光子，离子等）传输现象的技术是现代电子学，信息，能源，化工和生物科学的基础。当今，人们生活早已离不开的手机，电脑等设备的强大计算能力究其根本是可以在纳米尺度下用静电场精准控制电子传输的能力。

与计算机芯片相似但又非常不同的是，在诸多生物过程，比如神经信号的传导，虽然也是一种电信号传导，其依赖的不是电子，而是离子。在人脑庞大复杂的神经网络中，神经元之间的信号传导一个重要基础是高度程式化和刺激响应控制的离子传输。类似电子学，研究人员也长期致力于利用外加电场对离子传输进行调控。 然而现有技术所加工的器件对离子传输性质的控制幅度非常有限，而且通常需要输入的控制电压远高于生物神经元正常工作的跨膜电势。

【核心发现】

墨尔本大学化工系李丹教授多年来致力于石墨烯材料的制备及应用开发。该团队前期发展了一种由多层堆叠石墨烯组装而成的层间距连续可调的薄膜材料，实现了高能量密度的超级电容器（Science, 341, 534 (2013))。在本研究中，该团队巧妙地将超级电容器与传统的膜传输实验结合起来，发现在石墨烯膜上施加一个很小的电压（< 1 伏）就可以显著地改变石墨烯层间的双电层结构，从而实现对层间离子扩散的调控。特别有意思的是，传统理论认为在施加外加电压，极化程度变高的情况下离子扩散会变小。然而，研究人员却发现在层间距小于2 纳米的石墨烯膜内的离子扩散速率即使在较低的外加电场的极化下被显著加强，且控制幅度突破传统材料。

与墨尔本大学机械工程系刘哲教授带领的模拟课题组的合作发现，这种反常的电控离子传输行为和一种离子-离子关联作用（ion-ion correlation）密切相关。并且，这种离子关联作用在限域（也就是石墨烯片层结构中）尤为显著。

【图文导读】

图一 石墨烯超级电容器实现离子扩散性质的调控

a)装置图；

b) 石墨烯电容器控制层离子传输的扩散曲线；

c) 不同电压下离子扩散控制的响应曲线；

d)电容控制离子传输的响应时间和循环稳定特征；

图二 石墨烯超级电容器控制离子扩散性质随限域尺度和扩散浓度的标准化控制曲线。

【潜在影响】

这项工作揭示的电控离子传输性质的机制以及机制的离子特异性为将来开展研究离子在材料限域中的场效应奠定了基础，提供了新的实验手段去实现生理兼容的纳米离子器件。该工作也可能为石墨烯基超级电容器打开全新的应用领域。

文章链接：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

【课题组相关文献推荐】

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 Communications47, 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).

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