摘要：近年来，纳米流体系统中离子传输的调控已成为能量收集、海水淡化、离子电子学等新兴技术的关键。尤其是湿气发电机（MEGs），能够从大气中吸收水分并诱发离子解离与迁移，从而产生电能。然而，现有的器件往往受限于载流子产生不足、性能不稳定以及材料吸湿性与电荷选择性之间的

近年来，纳米流体系统中离子传输的调控已成为能量收集、海水淡化、离子电子学等新兴技术的关键。尤其是湿气发电机（MEGs），能够从大气中吸收水分并诱发离子解离与迁移，从而产生电能。然而，现有的器件往往受限于载流子产生不足、性能不稳定以及材料吸湿性与电荷选择性之间的权衡问题，制约了其在实际应用中的发展。

近日，苏州大学张晓宏教授、刘瑞远特聘教授合作，提出了一种基于三层结构（p-i-n）的纳米流体离子二极管，成功实现了高效且稳定的湿气能量收集与离子逻辑功能。该器件由带正电织物、氯化锂掺杂的中性织物和带负电织物组成，中间的中性层有效促进水分吸收与离子解离，而两侧的带电层则通过氧化石墨烯（GO）纳米通道建立内建电场，实现阴阳离子的定向传输。该装置在环境条件下可产生约1.38 V的电压和35 μA cm⁻²的电流，且在使用活性金属电极时峰值电压可达1.6 V，稳定运行超过600小时。此外，该器件还展现出优异的离子整流特性，可用于构建离子逻辑门，为自驱动离子电子系统提供了全新平台。相关论文以“A Trilayer Nanofluidic Ionic Diode for High-Performance Moisture-Enabled Energy Harvesting and Ionic Logic Operations”为题，发表在

研究团队受p-i-n型钙钛矿太阳能电池的启发，将中性的吸湿层（i层）夹在带正电（p型）和带负电（n型）的GO改性织物之间，形成三明治结构。通过层层自组装工艺，每一功能层均具有良好的透气性和自支撑性。p型和n型织物分别通过PEDOT:PSS和PDDA改性实现负电和正电特性，其中性层则采用PVA-LiCl复合材料，兼具高吸湿性和离子导电性。

图1. 三层p-i-n MEG的示意图与表征 A) 双层p-n结与三层p-i-n离子二极管的结构对比示意图； B) 基于织物的p-i-n MEG示意图； C) p-i-n MEG的光学图像； D) p-i-n MEG的截面SEM图像； E) 原始单纤维的SEM图像与元素分布； F) GO涂层纤维的SEM图像与元素分布； G) PEDOT:PSS改性GO/纤维的SEM与元素分布； H) PDDA改性GO/纤维的SEM与元素分布； I) 功能材料的Zeta电位，验证表面改性效果。

在性能方面，研究显示，引入PVA-LiCl中间层后，器件的湿气吸收量提高了三倍，绝对吸湿量提高了四倍。电化学阻抗谱表明，该层显著降低了系统阻抗，并随着LiCl负载比例的增加，电流、电压和离子电导率均明显提升。当PVA与LiCl质量比为1:2时，器件表现出最佳的电输出和运行稳定性。进一步地，通过对比不同中间层材料的性能，研究团队验证了吸湿性与离子电导对发电性能的关键作用。

图2. 功能层与器件的特性与性能 A) 三层二极管策略用于高效湿气诱导能量收集的示意图； B) 不同PVA与LiCl质量比下吸湿层的吸湿能力； C) 含与不含PVA-LiCl层（质量比1:2）的MEG吸湿能力对比； D) 含与不含PVA-LiCl/织物（质量比1:2）的二极管MEG的电化学阻抗谱分析； E) 不同中间层结构器件在≈75% RH和≈25°C下的电压信号； F) p-i-n MEG在低湿度（≈10% RH）下对人体呼吸的电流响应； G) p-i-n MEG的开路电压（VOC）； H) p-i-n MEG的短路电流密度（JSC）； I) 三层MEG与已报道双层MEG及不对称MEG的VOC和JSC对比。

在机理研究方面，团队通过EDS元素映射和数值模拟验证了离子在p-i-n结构中的选择性传输行为。模拟结果表明，在内建电场和Debye屏蔽效应的共同调控下，阴离子倾向于在p型区域积累，而阳离子则在n型区域富集。使用不同电解质的实验也进一步证实，LiCl因其较高的扩散系数和离子迁移率，表现出最优的发电性能。

图3. 三层p-i-n MEG的工作机制 A) 发电机制及载流子生成与传输示意图； B) 含与不含GO及中间PVA-LiCl层的基准器件性能对比； C) p-i-n MEG截面方向的EDS元素分布图； D) 基于Zeta电位按Gouy-Chapman理论计算得到的改性GO/织物表面电荷密度，插图为模拟三层MEG内离子分布的二维模型； E) 阳离子（K⁺）与阴离子（Cl⁻）的模拟分布； F) 三层p-i-n结构内的浓度分布； G) 多种具有电离官能团的聚电解质分子结构； H) 基于不同带电织物构建的p-n MEG和p-i-n MEG在≈75% RH和室温下的电输出。

该三层器件还展现出显著的离子整流特性，其整流比随偏压增加而略有上升。在正向偏压下，器件呈现“开启”状态，电流显著增长；而在反向偏压下达–2 V时则出现击穿。该二极管行为使得器件能够用于构建离子逻辑门，如OR门和AND门，实现基本的逻辑运算功能，为离子电路的发展提供了实验基础。

图4. 基于三层p-i-n离子二极管的离子整流与离子逻辑门 A) p-i-n MEG在不同方波电压下的电流响应； B) 离子二极管内离子积累与耗尽的示意图； C) p-i-n MEG在5 Hz方波电压下的性能稳定性； D) 逻辑门控制的机理示意图； E) 离子OR门电路图； F) 离子AND门电路图； G) 基于MEG的离子OR门和AND门的输入与输出信号。

在应用方面，单个p-i-n MEG单元的最大功率密度可达7 μW cm⁻²，五个单元串联后可产生7 V电压，能在300秒内将1 mF电容器充电至7 V。通过将碳电极替换为铝电极，电流密度提升至400 μA cm⁻²，器件在600小时后仍能保持80%的峰值电压输出。此外，该装置具有良好的柔韧性和折叠适应性，可通过折纸技术（Miura-ori）实现模块化集成，并为智能手机等便携设备提供短暂电力支持。

图5. 三层p-i-n MEG的集成与应用 A) p-i-n MEG连接可变电阻时的电压与电流密度； B) 串联p-i-n MEG的电压性能； C) 商用电容器由1个和5个MEG单元充电的电压-时间曲线； D) 使用碳-铝对电极的p-i-n MEG在超过600小时内的连续电压输出（≈75% RH，≈25°C），插图为不同工作时间段的电压曲线； E) 折叠器件的示意图； F) 折叠器件的光学照片与电压输出； G) 由MEG与电容器集成供电的智能手机充电场景。

该研究成功设计并制备了一种具有高输出性能和稳定性的三层离子二极管型湿气发电机，有效结合了吸湿发电与离子逻辑功能，为下一代自驱动离子电子系统提供了重要的设计与实验依据。未来，该平台有望在可持续能源采集和智能离子器件中发挥广泛作用。

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

来源：爱喝奶茶的科学家