电活性芘封装多类型碳基质构建高效非气化电渗泵及其机理研究

研究人员针对传统电渗泵(EOP)电极材料易产气、效率低的问题，创新性地采用低温热封装技术将芘分子嵌入五种碳基质（SC/MWCNTs/KC/AC/HC），经电化学氧化获得eSCO/eCNTO/eKCO/eACO/eHCO电极材料。研究表明该复合材料通过芘-4,5,9,10-四醇的氧化还原反应实现质子传输，所组装的EOPs在5V电压下最高获得33.81 mL min-1 V-1 cm-2 的电渗通量，且无气体析出。该工作为微流控器件提供了新型宿主-客体电极设计范式。

　　

电渗泵技术作为微流控系统的核心驱动单元，长期面临传统铂电极水电解产气、导电聚合物电极稳定性差等瓶颈问题。特别是在医疗诊断芯片、燃料电池水管理等场景中，亟需开发兼具高离子通量和无气泡干扰的新型电极材料。碳材料因其独特的导电性和化学稳定性成为理想载体，但如何通过分子设计实现可控质子传输仍是关键挑战。

印度研究支持者公司的Rajaram K. Nagarale团队在《Nano Trends》发表的研究中，创新性地提出"碳基质-有机分子"宿主-客体策略。该工作通过低温热迁移法将芘分子封装于超级碳(SC)、多壁碳纳米管(MWCNTs)、Ketjen黑碳(KC)、活性炭(AC)和硬碳(HC)五种基质，经电化学氧化获得具有氧化还原活性的电极材料。研究采用拉曼光谱证实封装过程引起I_D
/I_G
比值变化，热重分析显示芘在250℃后显著分解，透射电镜直观观察到芘在碳管交叉位的选择性分布。电化学测试表明氧化后的芘-4,5,9,10-四醇衍生物在0.34-0.43V(vs. Ag/AgCl)呈现可逆氧化还原峰。

材料表征与封装机制
通过XRD和拉曼光谱证实五种碳基质的不同结晶度，其中MWCNTs的(002)晶面间距最大(2θ=25.85°)。氮吸附测试显示AC具有最高比表面积(1601 m²
g^-1
)，而HC仅5.764 m²
g^-1
。电化学阻抗分析发现MWCNTs电阻最低(0.87 Ω cm)，这与其管状π共轭结构相关。

电化学氧化与性能验证
循环伏安法在1M H₂
SO₄
中氧化50圈后，eCNTO电极的I_D
/I_G
从0.69增至0.72，表明氧化过程引入可控缺陷。通过Cu(II)-邻醌络合物形成实验，验证了芘分子被氧化为含邻二酚结构的活性物质。

电渗泵性能测试
组装"电极-硅藻土隔膜-电极"三明治结构EOP，eSCO基泵-I展现最佳性能：在5V电压下实现79.55 μL min^-1
cm^-2
流量，每电子转移驱动3324个水分子。稳定性测试表明泵-I可持续工作5小时以上，热力学效率达0.203%，远超聚苯胺/石墨烯复合电极文献值(0.005%-2%)。

该研究开创性地证明碳基质拓扑结构对芘氧化效率的调控作用，其中SC的纳米颗粒特性与MWCNTs的一维通道协同提升质子传输速率。所开发的非气化EOPs为微流控芯片提供了免维护驱动方案，其宿主-客体设计策略可拓展至其他芳香烃/碳材料体系。未来通过优化碳载体孔径分布和表面官能团，有望进一步提升电渗通量与能量转换效率。