基于Janus IrGO/rGO 薄膜多重环境形变响应及优异的电化学储能性能，构筑了具备环境控制开关功能的储能集成器件

【引言】

近年来，随着人工智能和便携式可穿戴器件的迅速发展，以形变响应驱动器为代表的智能器件受到了广泛关注。目前，多数多重响应驱动器是由具备不同刺激响应性能的双层结构复合材料组成，受到外界刺激时，各组分分别对环境做出不同响应，产生弯曲、扭曲、振动等不同形式的应变行为。在各种制备智能驱动器的材料中，碳材料具有轻质、稳定性好和电导率高等优点，方便与其他器件进行集成，被认为是具有前景的智能驱动器候选材料之一。碳材料驱动器研究取得了很大进展，然而仍存在很多挑战，包括刺激响应形式单一，不利于在复杂刺激环境中使用，响应速度较慢，响应材料的稳定性差、易疲劳等，因此，迫切需要研发新型具有多重刺激响应功能、快速响应和较高稳定性的单组分驱动器材料。

【成果简介】

近日，中国工程物理研究院化工材料研究所程建丽和王斌研究员（共同通讯作者）在国际顶级能源期刊Nano Energy 上发表题为“Single Janus Iodine-doped rGO/rGO Film with Multi-responsive Actuation and High Capacitance for Smart Integrated Electronics”的论文，论文第一作者为博士生杨杰。研究人员通过氢碘酸蒸汽梯度还原策略制备了一种具有Janus 非对称结构的IrGO/rGO 薄膜材料，在一定程度上解决了材料物理复合过程中的层间稳定性问题。所制备的IrGO/rGO 薄膜对湿度、热及电压等变化显示出快速的可逆形变响应性能，响应速度最高可达70°/s，并且具有很宽的弯曲角变化范围（630°）和优异的抗疲劳性能。作为电极材料使用时，柔性超级电容器具有高的面积比电容和能量密度，5000次充放电循环后容量保持率为89.2%，表现出优异的电化学性能。

在此基础上，结合材料优异的环境驱动形变和电化学性能，设计出智能机械抓手和储能-智能环境控制集成器件，对新型智能集成器件的设计和研究提供了新的思路，在智能机器人、智能安全保护等领域中具有较高的应用前景。

 【全文解析】

图1 Janus结构的IrGO/rGO 薄膜制备过程及材料表征

图2 IrGO/rGO 薄膜用于多重响应驱动器的湿度响应性能

图3 IrGO/rGO 薄膜用于多重响应驱动器的热响应性能

图4 IrGO/rGO 薄膜用于多重响应驱动器的电响应性能

图5 IrGO/rGO 薄膜用于柔性超级电容器的电化学性能

图6 IrGO/rGO薄膜用于智能机械抓手和储能-智能环境控制的集成器件的应用展示

总结与展望

研究设计了一种具备多重驱动响应和高能量密度的非对称IrGO/rGO 薄膜材料，该材料可对湿度、温度及电压变化做出快速的可逆形变响应，响应速度高达70°/s, 用于超级电容器集成器件时，能够在外界环境改变时，自激活可逆启动，实现电路的开关，同时具有优异的电化学性能，为多功能智能集成器件的研究与应用提供了新的思路。

Jie Yang, Junxiang Zhang, Xuelian Li, Jingwen Zhou, Yongpeng Li, Zhuanpei Wang, Jianli Cheng, Qun Guan, Bin Wang; Single Janus Iodine-doped rGO/rGO Film with Multi-responsive Actuation and High Capacitance for Smart Integrated Electronics, Nano Energy, 2018. DOI:10.1016/j.nanoen.2018.09.044

课题组前期工作

1. All-Climate Aqueous Fiber-Shaped Supercapacitors with Record Areal Energy Density and High Safety, Nano Energy, 2018. DOI:10.1016/j.nanoen.2018.05.029.
2. Interfacial Engineered Polyaniline/Sulfur-doped TiO₂Nanotube Arrays for Ultralong Cycle Lifetime Fiber-Shaped, Solid-State Supercapacitors, ACS Applied Materials Interfaces, 2018, 10 (21),18390.
3. All-in-one fiber for stretchable fiber-shaped Supercapacitors, Nano Energy, 2018, 45, 210-219.
4. Highly-Wrinkled Reduced Graphene Oxide-Conductive Polymer Fibers for Flexible Fiber-Shaped and Interdigital-Designed Supercapacitors, Power Sources, 2018, 376, 117-124.
5. Free-standing N-doped carbon nanofibers/carbon nanotubes hybrid film for flexible, robust half and full lithium-ion batteries, Chemical Engineering Journal, 2018, 334, 682-690.
6. Omnidirectional porous fiber scrolls of polyaniline nanopillars array-N-doped carbon nanofibers for fiber-shaped supercapacitors, Today Energy, 2017, 5, 196-204.
7. Functionalized carbon nanotubes and graphene-based materials for energy storage, Comm., 2016, 52, 14350-14360.
8. Twisted yarns for fiber-shaped supercapacitors based on wet spun PEDOT: PSS fibers from aqueous coagulation, Mater. Chem. A, 2016, 4, 11616-11624.
9. A fiber supercapacitor with high energy density based on hollow graphene/conducting polymer fiber electrode, Mater., 2016, 28, 3646-3652.
10. Fiber-Shaped Solid-State Supercapacitors Based on Molybdenum Disulfide Nanosheets for a Self-powered Photodetecting System, Nano Energy, 2016, 21, 228-237