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来源：能源学人收集编辑：Energist
近几年，脑机接口技术得到了快速发展，然而人脑与计算机的双向沟通距离实用化水平还存在一定差距，这主要源于人脑和计算机分别采用离子和电子两种不同的信号传导介质。这种信息载体上的差异使人脑和计算机两种系统具有完全迥异的运行机制，也为两种系统的深度融合及交互带来了巨大挑战。离子电子耦合器件可以实现离子传输和电子转移在同一电路中的有机结合，因此为生物系统和电子设备之间的信息传递提供了可能的媒介。然而要真正实现生物系统和电子设备之间的信息交互，还需要设计开发具备逻辑运算功能的器件来完成信息的传输、处理和反馈。电容式离子二极管（CAPode）是一类基于超级电容器的新型电化学功能器件，具有类似于超级电容器的器件结构和半导体二极管的单向导通特性，被认为是构建离子电子耦合电路最具潜力的基础元件，在未来活体诊疗、人机接口及神经网络交互等技术领域有着广阔的应用前景。然而目前电容式离子二极管的研究还处于起步阶段，限于电极材料和电解液自身的一些问题，现有电容式离子二极管仍存在整流比不高（~10）、比电容低（< 80F g−1）、稳定性欠佳、生物相容性差及制造成本高的问题，无法满足实用化要求。事实上，深入剖析电容式离子二极管的工作原理便可发现，其单向储能的电化学行为源于电极材料对阴阳离子的选择性存储。因此，设计开发具有良好离子筛分效应的电极材料是非常关键的，同时也是极具挑战的。有鉴于此，近日兰州大学兰伟教授课题组开发了一种基于氧化钼电极的电容式离子二极管。得益于氧化钼材料致密的二维层状晶体结构和带负电的层间离子传输通道，氧化钼电极对电解液阴阳离子表现出尺寸和电荷双重离子筛分效应。这种独特的协同离子筛分效应使氧化钼工作电极表现出136的超高整流比，该数值比现有体系高出一个数量级。同时，结合插层赝电容的电荷存储机制和优化匹配的电解液体系，氧化钼电极表现出448 F g−1的高比电容和高达20000次循环的优异循环稳定性。如此优异的整流特性和电化学性能使所构建的电容式离子二极管可以在“与门”和“或门”两类逻辑运算电路里高效稳定工作，在未来基于离子电子耦合电路的逻辑运算中显示出巨大的潜力。此外，氧化钼和其他组分材料都具有良好的生物相容性，这使得所构建的电容式离子二极管能够应用于活体诊疗、人机界面、神经网络交互等新兴技术领域。相关成果发表在国际顶级期刊Adv. Mater.上，兰州大学物理科学与技术学院马鸿云博士为本文第一作者，香港理工大学应用物理系柴扬教授为本文共同通讯作者。图1. 面向人机交互的氧化钼基电容式离子二极管。氧化钼具有独特的二维层状晶体结构和带负电的层间离子传输通道，赋予其尺寸和电荷双重离子筛分效应，非常适用于构建高性能电容式离子二极管。图2. 氧化钼电极在高浓盐电解液中的电化学活化。利用宽窗口扫描的方法可以在氧化钼层间嵌入过量的H+离子，进而削弱Mo−O键并原位制造出氧空位，非常有利于提升电极材料的电荷存储动力学及电荷存储容量。 图3. 电化学活化后的氧化钼电极在高浓盐电解液中的电化学性能。电化学活化后的电极同时表现出超高的第一类整流比（136）、第二类整流比（98.8%）以及质量比电容（448 F g−1）。图4. 电化学活化后的氧化钼电极电化学储能机理及离子筛分效应的原位表征。原位X-射线衍射图谱及原位拉曼光谱均表明氧化钼电极只能特异性地存储阳离子，密度泛函理论计算进一步阐明这种阴阳离子选择性存储行为源于氧化钼电极对阴阳离子吸附能的差异。图5. 氧化钼基电容式离子二极管的整流性能及生物相容性。测试表明，氧化钼基电容式离子二极管兼具超高的整流特性、优异的电化学性能和良好的生物相容性，由其搭建的“与门”和“或门”两类逻辑运算电路均表现出良好的逻辑运算行为。本工作成功开发了一种基于氧化钼的生物相容性电容式离子二极管，得益于氧化钼电极独特的尺寸和电荷双重离子筛分效应以及赝电容电荷存储机制，所构建的电容式离子二极管表现出超高的整流特性和优异的电化学性能。将其应用于“与门”或“或门”两类逻辑运算电路时，整个电路表现出理想的逻辑运算行为，在未来基于离子/电子耦合电路的逻辑运算中显示出巨大的潜力。同时，氧化钼和其他组分材料都表现出良好的生物相容性，因此构建出的电容式离子二极管有望应用在植入式生物电子器件中。对于氧化钼电极独特的尺寸和电荷双重离子筛分效应以及赝电容电荷存储机制，本文采用原位XRD、原位拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）等原位表征手段和理论计算方法进行了系统阐释，为下一代高性能电容式离子二极管的开发奠定了坚实的理论基础。Hongyun Ma, Jie Liang, Jian Qiu, Li Jiang, Lingxiao Ma, Hongwei Sheng, Mingjiao Shao, Qi Wang, Fengfeng Li, Yujun Fu, Jing Wang, Erqing Xie, Yang Chai, and Wei Lan, A Biocompatible Supercapacitor Diode with Enhanced Rectification Capability towards Ion/Electron Coupling Logic Operations, Adv. Mater., 2023, DOI:10.1002/adma.202301218兰伟，男，教授，博士生导师，陇原人才，甘肃省普通高校青年教师成才奖获得者。中国电子学会柔性电子技术分会第一届委员会委员（筹），西北四省电子显微镜学会第一届理事，丝绸之路新材料国际产学研用联盟理事，北京工业大学学报青年编委。主持国家自然科学基金3项、教育部留学回国人员科研启动基金1项、甘肃省自然科学基金2项，其它各类项目10余项，参与北京市拔尖创新人才选拔计划1项、国防863子课题1项、各类横向项目5项。目前主要从事柔性电子学领域的应用基础研究，具体涉及柔性能源转换与存储、柔性传感器研究，包括透明热疗片、透明柔性传感器、透明柔性超级电容器、生物可降解超级电容器、透明氧化物半导体薄膜等。在Sci. Adv.、PNAS、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small等国际权威期刊上发表SCI 论文100多篇，ISI 统计SCI 论文被引用3300 多次，H因子为36，申报国家专利24项，其中已授权10项。主编《电子材料与器件实验》教材一部，参与编写英文专著一部。由兰伟教授领衔的兰州大学柔性电子科研团队由物理学院、信息学院、口腔医学院和基础医学院的十多位教授、副教授组成。现在面向国内外公开招聘青年才俊，岗位包括青年研究员、博士后，研究方向为能源、传感器、光电探测器，或其他柔性器件相关。http://phy.lzu.edu.cn/info/1065/11922.htm或邮件咨询lanw@lzu.edu.cn