【摘 要】
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柔性驱动器可以通过模仿自然界中生物的运动来进行结构和功能设计,因此可以灵活的运用到各种场景中,从而实现传统的刚性机械驱动器无法满足的工作需求。目前,在众多的仿生柔性驱动器研究中,电化学驱动器凭借着与肌肉运动高度相似的变形原理、大的电致动变形能力和快的响应速度,已经成为一种出色的“人工肌肉”,并且展现出了广泛的应用前景。电化学驱动器的结构是由电极层-电解质中间层-电极层的“三明治”结构组成,其中电解
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柔性驱动器可以通过模仿自然界中生物的运动来进行结构和功能设计,因此可以灵活的运用到各种场景中,从而实现传统的刚性机械驱动器无法满足的工作需求。目前,在众多的仿生柔性驱动器研究中,电化学驱动器凭借着与肌肉运动高度相似的变形原理、大的电致动变形能力和快的响应速度,已经成为一种出色的“人工肌肉”,并且展现出了广泛的应用前景。电化学驱动器的结构是由电极层-电解质中间层-电极层的“三明治”结构组成,其中电解质中间层中储存有离子液体,在电场刺激下,离子液体中半径尺寸不同的阴阳离子分别迁移并嵌入到两侧电极中,由于两侧电极不同半径离子积累,最终电化学驱动器产生向一侧电极的弯曲变形。在电化学驱动器工作过程中,电极层除了起到导电作用以外,也会发生氧化还原反应提供赝电容吸引离子迁移,此外还承担着离子的储存任务,因此电极材料的性能直接决定着电化学驱动器的驱动变形能力。电极材料选择主要考虑是否具备以下性能:大比表面积的多孔微结构;大量的氧化还原活性位点;高的电导率和机械稳定性。基于以上几点性能要求,我们选择了二维纳米结构的MXene和Co-MOF材料作为电极材料研究对象,主要是考虑到二维纳米材料的多层结构可以为离子迁移提供有序通道,同时二维结构也可以暴露出更多的活性位点。但是MXene材料由于自身结构的问题,片层会发生堆叠,而Co-MOF材料的导电性能差,针对以上问题,我们对MXene和Co-MOF这两种二维纳米材料进行复合结构设计来改善其性能。（1）我们选取MXene（Ti3C2Tx）材料作为电极材料,MXene材料具备高电导率的二维多层结构,但是MXene材料的片层容易发生堆叠。针对以上问题,我们采取在MXene片层中原位生长Ag纳米颗粒（Nano Particles,NPs）的策略,对MXene片层起到支撑作用防止其重堆叠。最终设计制备的MXene/Ag NPs电化学驱动器展现出了优异的驱动变形能力,在低频率（0.1 Hz）的最大的变形位移可以达到16mm,并且变形可以宽频率（0.1-15 Hz）响应,同时可以在低电压（±0.5 V）下驱动变形。此外,MXene/Ag NPs电化学驱动器具备优异的循环稳定性,在10000个循环下其驱动性能也没有发生衰减。（2）针对电化学驱动器在低频下大位移输出的需求,我们进一步选取了Co-MOF材料作为电极材料,Co-MOF材料具备大表面积的多孔结构,同时具有大量的氧化还原活性位点,但是Co-MOF材料导电性能差。针对以上问题,我们采取在c-CNT表面原位生长Co-MOF的策略,c-CNT可以作为骨架调整Co-MOF片层结构,同时增强了Co-MOF导电能力。最终获得的Co-MOF/c-CNT电化学驱动器展现出了优异的驱动变形能力,在低频率（0.1 Hz）下最大的变形位移可以达到26 mm,并且变形可以宽频率（0.1-15 Hz）响应,在较高频率（1 Hz）下也依然能展现出大的位移变形能力（6 mm）。相比于MXene/Ag NPs电化学驱动器MOF/c-CNT电化学驱动器在低频下的变形位移得到了极大的提升。我们利用MXene二维纳米材料高电导率的多层结构特点,选取其作为电极主要组分,通过二维纳米片MXene与Ag NPs复合结构设计,克服了MXene片层堆叠的问题,制备的MXene/Ag NPs电化学驱动器可以在低电压下实现大的驱动变形。同时针对电化学驱动器低频下大变形需求,我们利用了Co-MOF二维纳米材料大比表面积和高氧化还原活性的特点,选取其作为电极主要组分,通过二维纳米片Co-MOF与一维c-CNT复合结构设计,克服了Co-MOF导电性能差的问题,制备的Co-MOF/c-CNT电化学驱动器可以在低频下实现大的驱动变形。通过以上工作,我们探索了纳米复合组装策略在电化学驱动器电极设计中的重要作用。
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