【纳米】光-电耦合敏感性助力智能离子传输应用- 大数跨境

X-MOL资讯

2025-03-09

导读：复旦大学孔彪团队通过超组装策略构建了具有定制通道尺寸梯度和光-电耦合敏感性的功能层状导电纳米通道聚吡咯-氧化石墨烯（PyGO）

在纳米科技的舞台上，每一次材料创新都可能为未来的智能应用打开一扇新的大门。近期，一项关于聚吡咯-氧化石墨烯（PyGO）异质纳米通道膜的研究，以其独特的光-电耦合敏感性，为智能离子传输领域带来了新的思考和可能。

离子通道在生物体系中扮演着关键角色，它们不仅能选择性地传输离子，还能对外界刺激（如光、电、温度等）做出响应。例如，藻类和哺乳动物细胞中的Channelrhodopsin-2蛋白，能够将光信号转化为电信号，从而调控神经信号的传递。这种生物启发的设计理念，促使科学家们探索如何在人工纳米流体中实现类似的智能调控功能，尤其是在能源转换和生物传感等领域。

近年来，人们开始探索新的材料和结构设计，以响应pH、温度和光等环境刺激，实现增强的智能离子传输性能。光作为一种非接触式的外部能量源，能够通过强度、方向和照射面积实现远程调控，为外部刺激的应用场景提供了极大的灵活性。因此，基于光电效应的光驱动人工纳米通道，因其无创的外场控制和可调节的离子电流响应特性，在信号传输和能量转换领域受到广泛关注。在光驱动离子传输过程中，其表面电荷的增强往往会受到光生载流子的复合的限制。为了解决这个难题，研究者们通过传统的p-n结构建策略来增强载流子分离效率，然而这种结构设计策略面临着现有半导体材料能带结构的限制，使得有效的光生载流子分离仍然存在挑战。

复旦大学孔彪团队通过超组装策略构建了具有定制通道尺寸梯度和光-电耦合敏感性的功能层状导电纳米通道聚吡咯-氧化石墨烯（PyGO）很好的弥补了上述缺憾。该设计促进了PyGO固有导电层状通道的形成和光生载流子的有效分离，从而大幅提升了离子传输的选择性，让智能离子传输的性能跃上新台阶。在盐度梯度为0.5/0.01 M NaCl的条件下，PyGO异质通道的导电性和光敏性的耦合作用使其发电功率密度高达14.1 W m^-2，比黑暗条件下提高了35.6%。此外，研究人员拓展了PyGO异质纳米通道在实时监测营养液中离子浓度的应用，为智能农业灌溉系统铺平了道路。这项工作提出了一种新颖的、高效的光驱动离子传输策略，使智能离子传输的多场景实现成为可能。

图1. PyGO异质通道的合成示意图。

研究人员采用超组装策略，利用吡咯单体在氧化石墨烯纳米片上的原位化学氧化聚合得到了一种非对称的PyGO异质纳米通道膜，有望为离子传输提供丰富的导电通道，从而实现优异的离子传输。

图2. PyGO异质纳米通道的光电耦合敏感性作用机制。

PyGO膜的神奇之处在于它融合了聚吡咯（PPy）和氧化石墨烯（GO）的光响应“超能力”。GO和PPy都能捕捉光子并产生电荷分离，导电聚合物PPy本身就像一条“高速导电轨道”，更巧妙的是，GO与PPy之间的π-π堆叠相互作用，进一步提升了光生载流子的分离效率，让膜表面的负电荷密度进一步增加。研究人员通过理论模拟结果进一步证实了这种光电耦合的设计，让PyGO膜在光照条件下展现出卓越的离子传输性能。它不仅实现了高效的光能利用，还将离子传输效率提升到了一个新的高度。

图3. PyGO异质纳米通道在水培营养液中离子浓度检测的应用。

PyGO膜不仅在能源转换领域表现出色，还被成功应用于实时监测水培营养液中的离子浓度。这种跨领域的应用展示了PyGO膜在智能农业中的潜力，为未来的智慧灌溉系统提供了新的技术方案。

总结

本研究通过超组装策略成功开发了具有光-电耦合敏感性的PyGO异质通道膜，不仅在盐差能转换中展现出卓越的性能，还为农业智能灌溉系统提供了新的技术思路。这种基于聚吡咯和氧化石墨烯的创新设计，为未来纳米流体器件的发展提供了新的方向，有望在能源转换、生物传感和智能农业等多个领域实现更广泛的应用。该研究论文发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Super-Assembled Lamellar Conductive Heterochannels with Optical-Electrical Coupling Sensitivity for Smart Ion Transport

Yaxin Guo, Xin Zhang, Shan Zhou, Qirui Liang, Hui Zeng, Yeqing Xu, Abuduheiremu Awati, Kang Liang, Dazhang Zhu, Mingxian Liu, Lei Jiang, Biao Kong

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202500116

导师介绍

孔彪，复旦大学研究员、博士生导师，复旦大学附属中山医院双聘教授，复旦大学山东研究院常务副院长，聚合物分子工程国家重点实验室研究员PI，海尔绿色再循环研究院院长，入选国家高层次人才青年项目，上海市高层次人才特聘专家，担任国家重点研发计划首席科学家，国际Frontiers系列刊物副主编，Chinese Chemical Letters编委，Materials Today Sustainability期刊编委，Nano Research期刊青年编委以及SCIENCE CHINA Materials青年工作委员会委员。曾获上海市自然科学一等奖，侯德榜化工科学技术奖青年奖，中国化工学会科学技术奖，宝钢教育基金会特等奖学金，澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖，中国分析测试协会科学技术奖一等奖，2023&2024全球前2%顶尖科学家。相关研究已在Nature Chem., Nature Sustain., Nature Commun., Science Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等SCI期刊发表学术论文近160篇，论文引用次数近16000次，h指数61。

点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊

【声明】内容源于网络

X-MOL资讯

“X-MOL资讯”隶属于X-MOL学术平台（官网x-mol.com），关注化学、材料、生命科学、医学等领域的学术进展与科研前沿，提供专业与深度的内容。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的新近论文，支持个性化浏览。

内容 19833

粉丝 0

X-MOL资讯 “X-MOL资讯”隶属于X-MOL学术平台（官网x-mol.com），关注化学、材料、生命科学、医学等领域的学术进展与科研前沿，提供专业与深度的内容。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的新近论文，支持个性化浏览。

总阅读11.7k

粉丝0

内容19.8k