近幾年，腦機接口技術得到了快速發展，然而人腦與計算機的雙向溝通距離實用化水平還存在一定差距，這主要源于人腦和計算機分別采用離子和電子兩種不同的信號傳導介質。離子電子耦合器件可以實現離子傳輸和電子轉移在同一電路中的有機結合，因此為生物系統和電子設備之間的信息傳遞提供了可能的媒介。然而要真正實現生物系統和電子設備之間的信息交互，還需要設計開發具備邏輯運算功能的器件來完成信息的傳輸、處理和反饋。電容式離子二極管（CAPode）是一類基于超級電容器的新型電化學功能器件，被認為是構建離子電子耦合電路最具潛力的基礎元件。然而目前電容式離子二極管的研究還處于起步階段，限于電極材料和電解液自身的一些問題，現有電容式離子二極管仍存在整流比不高（~10）、比電容低（< 80F/g）、穩定性欠佳、生物相容性差及制造成本高的問題，無法滿足實用化要求。

近日，蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊開發出一種基于氧化鉬電極的電容式離子二極管。得益于氧化鉬材料致密的二維層狀晶體結構和帶負電的層間離子傳輸通道，氧化鉬電極對電解液陰陽離子表現出尺寸和電荷雙重離子篩分效應。這種獨特的協同離子篩分效應使氧化鉬工作電極表現出136的超高整流比，該數值比現有體系高出一個數量級。同時，結合插層贗電容的電荷存儲機制和優化匹配的電解液體系，氧化鉬電極表現出448 F/g的高比電容和高達20000次循環的優異循環穩定性。如此優異的整流特性和電化學性能使所構建的電容式離子二極管可以在“與門”和“或門”兩類邏輯運算電路里高效穩定工作。此外，氧化鉬和相關組分材料都具有良好的生物相容性，這使得所構建的電容式離子二極管在未來基于離子電子耦合電路的腦機接口領域顯示出巨大的潛力。

相關成果以“A Biocompatible Supercapacitor Diode with Enhanced Rectification Capability towards Ion/Electron Coupling Logic Operations”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上，蘭偉教授為本文通訊作者，萃英博士后馬鴻云為本文第一作者，蘭州大學口腔醫學院王靜教授團隊參與了生物驗證方面的研究，香港理工大學柴揚教授為本文共同通訊作者。

圖1 面向人機交互的氧化鉬基電容式離子二極管

圖2 氧化鉬電極的電化學儲能機理及離子篩分效應

圖3 氧化鉬基電容式離子二極管的整流性能及生物相容性

該研究得到了國家自然科學基金面上項目、博士后創新人才支持計劃、博士后科學基金面上資助、青海省科技合作項目和中央高校基本科研業務費等項目的大力支持。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301218

審核編輯 ：李倩