阎兴斌教授、窦青云副教授，Nano Letters：从超级电容器忆阻器到超级电容二极管：离子滞后向选择性相互作用的转变

第一作者：唐培

通讯作者：阎兴斌*，窦青云*

单位：中山大学

随着离子电子学的兴起，离子作为信息传递和能量转换的媒介，逐渐成为新型电子器件的研究热点。超级电容器作为一种重要的电化学储能器件，依赖于离子在固液界面的快速传输。近年来，研究人员提出了超级电容器二极管（CAPode）和超级电容器忆阻器（CAPistor）的概念，这些器件通过纳米孔道中的离子受限传输，展示了在神经形态计算、脑机接口和逻辑电路中的巨大潜力。然而，如何通过调控离子传输行为，实现从超级电容器忆阻器到超级电容器二极管的转变，仍然是一个挑战。

基于此，中山大学的阎兴斌教授团队在Nano Letters上发表了一篇题为“Modulating Ionic Hysteresis to Selective Interaction Mechanism toward Transition from Supercapacitor-Memristor to Supercapacitor-Diode”的研究论文。该研究通过电化学循环驱动的金属有机框架ZIF-7电极动态重构，成功实现了从CAPistor到CAPode的转变。研究揭示了在碱性电解质中从“离子滞后”到“离子选择性相互作用”的机制演变，展示了CAPode在离子逻辑电路中的应用潜力。

图1. 从电容型离子忆阻器到电容型离子二极管的转换研究框架示意图。

通过电化学循环，ZIF-7电极的结构发生了动态重构，导致离子传输机制从“离子滞后”转变为“离子选择性相互作用”。X射线吸收精细结构（XAFS）和电化学分析表明，随着循环的进行，ZIF-7电极的微观结构和化学环境发生了显著变化。初始阶段，ZIF-7电极表现出典型的离子滞后行为，这是由于OH⁻离子在纳米孔道中的受限传输导致的。随着电化学循环的进行，ZIF-7电极的有机配体逐渐降解，导致孔道的限制作用减弱，离子传输机制从“离子滞后”转变为“离子选择性相互作用”。最终，ZIF-7电极形成了具有单向离子传导特性的CAPode。

要点二：CAPode的优异性能

转换后的CAPode表现出高整流比、长循环稳定性和反向偏压下的有效电流阻断能力。在4000次循环后，CAPode的整流比仍保持在较高水平，展示了其在离子逻辑电路中的潜在应用。具体来说，CAPode在正向偏压下的电流响应显著高于反向偏压，整流比Ⅰ（RRI）在10 mV s^-1时为4.6，在100 mV s^-1时为9.3，而整流比II（RRII）在0.87到0.92之间，表现出优异的整流性能。此外，CAPode在4000次循环后仍能保持61.1%的电容保持率，显示出良好的循环稳定性。这些优异的性能使得CAPode在离子逻辑电路和电容计算架构中具有广泛的应用前景。

要点三：离子逻辑电路中的应用

研究团队成功将CAPode应用于“AND”和“OR”逻辑门电路，展示了其在离子逻辑电路中的可行性。这些结果为未来电容计算架构的发展提供了新的思路。

要点四：总结

这项研究通过ZIF-7电极的动态重构，成功实现了从CAPistor到CAPode的转变，揭示了离子传输机制的演变过程。CAPode的高整流比和长循环稳定性为其在离子逻辑电路和电容计算架构中的应用提供了广阔前景。

“Modulating Ionic Hysteresis to Selective Interaction Mechanism toward Transition from Supercapacitor-Memristor to Supercapacitor-Diode”

阎兴斌教授简介：阎兴斌，中山大学材料科学与工程学院教授。多年来一直围绕超级电容器开展研究工作，至今在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊发表论文290余篇，SCI他引20000余次，H因子83；主持国家重点研发计划子课题项目、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金-区域联合基金重点项目；获得甘肃省自然科学一等奖（2019年，排名1）、国家技术发明二等奖（2016年）、甘肃省技术发明一等奖（2015年）；作为导师指导博士研究生获得中国科学院百篇优秀博士学位论文（2020年）和中国硅酸盐学会优秀博士学位论文（2021年），个人荣获中国科学院优秀导师奖（2020年）。现担任美国物理联合会期刊《APL Energy》副主编。

唐培，中山大学在读博士。师从阎兴斌教授。主要研究方向为超级电容器基离子计算元件开发。担任eScience期刊云编辑。共发表SCI论文24篇，以第一作者在国际主流期刊 国家科学评论, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano letter, Mater today等期刊发表学术论文9篇；申请专利两项。被引用600余次，H因子10，多次在学术会议上做报告（10余次）。入选中国科协青年人才托举工程博士生专项计划，获中山大学校长奖学金、第十二届广东省大学生材料创新大赛总决赛一等奖 和首届“宁德时代杯”新能源创新大赛优秀奖等荣誉。