近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所黃行九研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)離子傳感界面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性進(jìn)行了研究，提出一種基于界面電化學(xué)電容對(duì)稱性的轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料設(shè)計(jì)新策略。相關(guān)研究成果以“Inhibitions imposed by kinetic constraints of membranes in all-solid-state ion-selective electrodes: characteristics of interfacial capacitance in solid contacts”為題，作為Inside Front Cover文章發(fā)表在國(guó)際期刊Chemical Science（Chem. Sci.,2025,?16,10245）上。

快速發(fā)展的全固態(tài)離子選擇電極作為智能生物和化學(xué)傳感器的關(guān)鍵組成部分，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。構(gòu)筑高性能全固態(tài)離子選擇性電極的關(guān)鍵在于高疏水和大電容的轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料，但忽略其工況下的界面電容會(huì)直接影響傳感器信號(hào)的可靠性?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)提出一種基于界面電化學(xué)電容對(duì)稱性的轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料設(shè)計(jì)新策略，通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)模擬揭示了離子選擇性膜對(duì)固體轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料電容的限制作用：離子選擇性膜在整個(gè)界面系統(tǒng)中扮演了“閥門”的角色，限制了固體轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料在有/無膜狀態(tài)下的轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料的效率低下。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在不同過電位條件下，電荷存儲(chǔ)過程中的對(duì)稱性與電容轉(zhuǎn)化率存在關(guān)聯(lián)；離子選擇性膜的存在會(huì)限制不同材料的電容性能，導(dǎo)致工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)導(dǎo)層界面電容與無膜修飾電極電容存在顯著差異。該研究表明在固體轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料開發(fā)中，不僅需要關(guān)注高疏水與大電容特性，也要重視材料與離子選擇性膜之間的相互作用，應(yīng)使電荷存儲(chǔ)過程在不同極性過電位下保持相對(duì)均衡，同時(shí)需考慮離子選擇性膜對(duì)轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料充放電過程的制約程度。該研究基于電極界面動(dòng)力學(xué)原理為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料提供了新策略，可作為跨電化學(xué)領(lǐng)域的普適性策略。

上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/sc/d5sc01241d

圖1. 基于電化學(xué)數(shù)值模擬解析動(dòng)態(tài)界面過程。

圖2. 內(nèi)封面圖。