摘要
离子型电驱动器,又称电化学驱动器，其整体为类似“三明治”的三层结构，包括两侧的电极层以及中间的聚合物电解质层。其工作原理为聚合物电解质层中的可移动的阴阳离子在电场作用下分别往两侧电极移动，并在电极层中累积，由于阴阳离子的尺寸的不同，导致两侧电极非对称的体积膨胀，最终产生弯曲变形。离子型电驱动器本质是一种能量存储和转换装置，能够通过离子迁移来实现电能到机械能的转换，从而在人工肌肉、智能机器人、能量转换器件、便携式可穿戴驱动器件等领域具有广泛的应用前景。然而，受限于电极材料性能及其微观结构，离子在电极中的迁移和积累会受到影响，从而导致了驱动器较低的响应速度和较小的机械变形输出。因此，实现离子型电驱动器的快速响应、大的机械变形的目标仍然存在巨大的挑战。 针对以上关键问题，我们从选用电极材料和调控电极的微观结构入手。首先，选用二维层状结构纳米材料MXene（Ti3C2Tx）作为构筑离子型电驱动器电极的微观材料单元。MXene材料具有优异的导电性和高电容，可为容纳大量的离子提供基础；同时，MXene材料的二维层状结构还为离子的短程嵌入迁出提供更为有序的路径，使得离子的传输从传统的长程无序跨膜变为短程有序扩散。其次，我们通过掺入碳纳米管（CNT）来克服MXene纳米片微观层层堆叠的缺陷以及调控MXene材料的微观层间距，从而可进一步增加电极层的离子容纳空间，拓宽离子迁移路径，加快离子迁移速度；同时，碳纳米管的高导电性、大比表面积、优异的力学性能以及与MXene之间的协同作用也增强了MXene复合电极的导电性能、力学性能、以及结构稳定性，为实现基于MXene复合电极的离子型电驱动器的快速大变形高性能输出奠定了基础。 通过材料结构的设计制备，该MXene/CNT复合电极离子型电驱动器展示出了优异的驱动性能，包括在2.5V低电压刺激下能够产生大的弯曲变形（位移为24mm）和弯曲应变（1.54％）、宽频响应（0.1-15Hz）、高的功率密度（18.44kWm-3）和能量密度（7.04kJm-3）、以及出色的循环稳定性（10000次循环）。最后，我们利用该驱动器的优异性能，设计了一系列的仿生器件，包括能抓取物体的柔性仿生机械手、实现拍打翅膀动作的仿生蜻蜓，在光照下迅速展开的人工树叶以及能够弹奏电子钢琴的软触摸手指。以上的研究结果为高性能离子型电驱动器的设计提供了思路，并推动了柔性离子型电驱动器在仿生柔性机器人、人机交互系统、柔性智能穿戴设备等领域的进一步发展。
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