通过离子调控纳米颗粒快速制备抗冻压离子水凝胶，以实现快速充电并提高能量收集频率

《Advanced Functional Materials》：Rapid Fabrication of Antifreezing Piezoionic Hydrogels for Fast Charging and Enhanced Energy Harvesting Frequency via Ion-Regulating Nanoparticles

压电离子水凝胶通过表面修饰超级P碳黑纳米颗粒实现快速制备（ tens of seconds ），显著提升输出性能（ 827.90 mV，3.2 A m-2 ）和充电速率（ 146 mV s-1 ），支持 0.1-10 Hz 宽频能量收集，并在 -90 °C 下保持机械柔韧性，性能较传统水凝胶提升两个数量级，适用于多场景便携电源应用。

　　

摘要

压电离子水凝胶发电机作为一种极具前景的能量转换装置，已经引起了广泛关注。然而，其实际应用受到输出性能不足的限制，尤其是工作频率不超过0.1 Hz以及充电速率较低的问题。本研究介绍了一种制备快速、适用于多种动态场景的压电离子水凝胶发电机。经过表面改性的Super P碳黑纳米颗粒增强了静电相互作用，并引入了活性位点，使得水凝胶在无需外部能量输入的情况下能够在数十秒内发生凝胶化。纳米颗粒与锂盐的协同作用有效抑制了冰晶的形成，确保了材料在-90°C时的机械柔韧性。从机制上讲，带正电的纳米颗粒充当“离子调节开关”，通过选择性吸附阴离子来放大离子迁移率差异，从而在局部区域富集阴离子，实现了高达827.90 mV和3.2 A m^?2的优异输出功率。该水凝胶的性能比传统压电离子发电机提高了两个数量级。它既适用于人体运动产生的频率（1至4 Hz），也适用于低频机械振动（10 Hz），能够为1 mF的电容器提供高达146 mV s^?1的超高充电速率。这项工作为多场景能量收集和便携式电源应用奠定了基础。

图形摘要

本文报道了一种快速制备的压电离子水凝胶，其中含有离子调节纳米颗粒，该水凝胶能够在0.1–10 Hz的频率范围内高效收集能量，并且在-90°C时仍保持优异的机械柔韧性。这一进展为开发适用于极端环境条件下的下一代压电离子水凝胶提供了有前景的方向。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。