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中科院深圳先进院Adv Mater Interfaces:良好可控具有极强电化学

  原标题:中科院深圳先进院Adv. Mater. Interfaces:良好可控具有极强电化学性能的三维氧化铱/铂纳米复合材料

  近年来,随着微型化、柔性化电子器件以及便携式、可穿戴、可植入的迅猛发展,微型储能器件的需求也越来越大。其中,微型化的电化学电容器(Electrochemical capacitors, ECs)可达到极高的储能密度。神经电极作为典型的微型EC,广泛应用于人造耳蜗、人造视网膜、神脑刺激器等神经假体,微米尺度的电极阵列可为给临床提供更高的电刺激/记录效率。然而,电极尺寸的大幅度缩小会造成极大的界面阻抗,使其电荷存储和注入能力等性能严重下降,从而限制了其应用。目前,在不增加电极几何尺寸的情况下,通过微电极表面修饰方法得到的镀层均无法满足低阻抗、高电荷存储能力、高电荷注入能力以及长期稳定性的指标。

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院吴天准研究员(通讯作者)及曾齐助理研究员(第一作者)等团队成员在前期工作(Electrochimica Acta, 2017, 237, 152-159)的基础上,成功研发出一种高性能、可控制备的三维氧化铱/铂纳米复合材料,用于修饰神经微电极(电极直径:200微米)。深入探索了铂纳米结构的演变情况,同时得到的氧化铱纳米颗粒可很好地附着于上述铂纳米结构上。使其电化学阻抗相比未修饰电极降低了94.52%,阴极电荷存储能力增大了56倍多(比前期工作提高了1个数量级)。该复合材料修饰的电极在经过了1亿多次的连续电脉冲刺激后,阴极电荷存储能力依然维持在86%以上。此外,其电荷注入能力高达6.37 mC·cm-2,远领先于目前报导的铂/铱神经电极修饰材料;在葡萄糖检测方面也表现出优秀的特异性和灵敏度。该研究成果有效解决了现有的技术短板,可操作性强,能批量生产,对微电极表面修饰材料的开发和以人造视网膜为代表的神经电极刺激/记录具有重要指导意义。相关研究成果“Well Controlled 3D Iridium Oxide/Platinum Nanocomposites with Greatly Enhanced Electrochemical Performances”已在线发表于材料界面的权威期刊Advanced Materials Interfaces上。

  综上所述,作者,报道了一种良好可控具有极强电化学性能的三维氧化铱/铂纳米复合材料,该材料具有优异稳定性(电脉冲刺激1亿次)和电学性能。使用该材料修饰电极,作者有效改善了电极的刺激效率;其电荷注入能力远领先于目前报导的铂/铱神经电极修饰材料;在葡萄糖检测方面也表现出优秀的特异性和灵敏度。该研究成果有效解决了现有的技术短板,可操作性强,能批量生产,对微电极表面修饰材料的开发和以人造视网膜为代表的神经电极刺激/记录具有重要指导意义,有望广泛应用于神经假体、高效刺激/记录电极、生物传感、能量存储等领域。

  图1:氧化铱/铂纳米复合材料制备的流程图(a)电化学修饰装置示意图;(b)微电极阵列排布;(c)微电极表面修饰前后的光学显微图像;(d)-(g)微电极表面修饰流程

  图2电沉积铂纳米结构的SEM图(a)-(e)不同电压下电沉积铂纳米结构的SEM图;(a’)-(e’)为相应的局部放大图

  图3不同电压下电沉积铂纳米结构修饰电极的电化学性能(a)-(b)不同电压下电沉积铂纳米结构修饰电极的EIS对比图;(c)不同电压下电沉积铂纳米结构修饰电极的CV对比图

  图4不同电沉积方式制备氧化铱纳米材料的SEM图(a)-(d)恒电位电沉积氧化铱的SEM图;(e)-(h)循环伏安电沉积氧化铱的SEM图

  图6几种纳米材料修饰电极的电化学性能对比(a)-(b)几种纳米材料修饰电极的EIS对比图;(c)用于拟合EIS体系的等效电路图;(d)几种纳米材料修饰电极的CV对比图;(e)几种纳米材料修饰电极的电荷注入能力对比图

  图7电荷注入能力及稳定性(a)电荷注入能力测试装置及电脉冲刺激示意图;(b)氧化铱/铂纳米材料修饰电极的电化学稳定性测试

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