固体和液体之间的双电层（EDL）在纳米尺度现象中起着极其重要作用，是离子和电子耦合的主要界面。它对电场效应、离子传输和表面相互作用等方面具有关键调控作用。通过机械力或静电力方法动态调控双电层可以调控电荷载流子的传输行为，从而影响能量收集和存储过程。调控双电层可通过控制离子迁移和优化耦合界面电荷载流子的浓度实现，这为实现高效能量收集和信息传输提供了新途径。本综述系统总结了各类通过动态调控双电层实现能量收集和信息传输的方法。根据对电荷载流子在整个双电层、扩散层和德拜长度范围内分布和运动的调控，这些装置可分为三类。本文全面概述了这些装置的工作原理、影响因素、输出特性和典型应用，并对未来的挑战进行了简要讨论，为研究人员评估这些装置在各种情况下的适用性提供了宝贵见解。

　　煤炭和石油是推动全球工业化和经济增长的主要能源，但它们的不可再生性和巨大的环境影响使得转向可持续替代能源变得十分迫切。在自然界中，水是地球上最丰富的资源之一。海洋、河流、和雨滴等构成了水能的重要元素，其总储量超过75太瓦，为人类提供了丰富的潜在能源。然而，水能的随机性和低频性为常规的电磁发电机的高效运行带来了巨大的挑战。充分利用水能潜力、促进可持续发展并提高全球能源安全的关键在于解决从水中收集能量所面临的复杂性，并开发高效的能源收集机制。由于水资源的丰富性和循环性，固体和液体之间的接触界面在地球上起着重要作用。在这个界面中，电荷转移和离子吸附的相互作用形成了双电层，它不仅能够调控化学反应和物质吸附，还与界面稳定性和离子传输等方面密切相关。这对于电池、超级电容器和化学传感器等技术至关重要。近期的研究表明，通过动态调控双电层控制离子迁移，可以促进高效的电流产生。这一突破为能量收集和储存技术的发展奠定了基础，尤其在有效利用水能方面具有重要意义。同时，双电层对外部刺激的敏感性也推动了自供电信息传输的发展，适用于人机交互和界面探针等新兴领域。因此，动态调控双电层是增强能量和信息流动的一种有潜力的方法，对于发展智能、自主、高效的物联网和人工智能系统具有深远影响。近年来，该领域取得了显著进展，并已经构建了一个较为庞大的研究框架。在这种情况下，需要对相关的能量收集和信息传输方法进行全面总结，目的是将器件的输出性能与运行机制有效结合起来，为研究人员评估这些装置在各种情况下的适用性提供了宝贵见解。

　　图1.根据双电层的“两步”形成模型，通过分别调控电荷载流子在整个双电层、扩散层和德拜长度范围内的分布和迁移构建的能量收集和信息传输装置。

　　1. 系统地总结了一个多世纪以来导电固体-液体以及介电固体-液体接触界面双电层模型的演化过程。

　　2. 根据最新的双电层的“两步”形成模型，系统总结了各类通过动态调控双电层实现能量收集和信息传输的方法。根据对电荷载流子在整个双电层、扩散层和德拜长度范围内分布和运动的调控，这些装置可分为三类。

　　3. 全面概述了这些装置的工作原理、影响因素、输出特性和典型应用，并对未来的挑战进行了简要讨论，为研究人员评估这些装置在各种情况下的适用性提供了宝贵见解。

　　自从第一个“亥姆霍兹”平面模型于1853年被提出以来，对于双电层的结构和组成进行了长达一个多世纪的研究，其中大多数模型都是基于导电固体-液体接触界面系统提出的，忽略了介电固体与液体之间的相互作用。直至2019年王中林院士团队基于介电固体-液体接触界面提出了双电层的“两步”形成模型，其中包含电子转移和离子吸附过程。在第一步中，液体接触原始固体表面，由于热运动来自液体，水分子和离子（包括阳离子、阴离子等）将冲击固体表面。在撞击过程中，由于固体原子和水分子的电子云重叠，电子将在固体原子和水分子之间转移，电离反应也可能同时在固体表面发生。因此，表面上会同时产生电子和离子。在第二步中，液体中的相反离子将被静电相互作用吸引向带电表面迁移，形成双电层。

　　根据双电层的“两步”形成模型，通过分别调控电荷载流子在整个双电层、扩散层和德拜长度范围内的分布和迁移，将能量收集和信息传输方法分为三类。

　　在动态调控整体双电层时，首先，利用机械力可以移动双电层的边界，诱导离子定向迁移并产生低振幅恒定电流。此外，还可通过静电力控制双电层中的电荷分布，诱导离子定向迁移，从而产生高压交流电信号。

　　图5.基于在介电基底表面的电荷收集层表面移动双电层边界构建的能量收集器件

　　对于扩散层的动态调控，首先，可以通过移动电介质表面双电层扩散层的边界，促使电子在导电集流体电极之间交替转移，从而产生交流高压输出。其次，可以利用固液接触起电产生的离子电荷补充电介质表面双电层扩散层中的电荷密度，构建离子浓度梯度，驱动离子定向迁移，产生高功率密度的直流输出。

　　图10.利用固液接触起电产生的离子电荷补充电介质表面扩散层中的电荷密度构建的摩擦离子电子学纳米发电机

　　双电层内电场作用的尺度称为德拜长度，通过构建离子输运通道匹配水合离子德拜长度，利用离子浓差或蒸发效应可驱动特定极性离子传导，产生恒定电流信号。进一步地，离子在纳米限域空间内由于双电层重叠，会具备特殊离子动力学行为，单极离子可迅速传导通过二维纳米流体通道，同时实现离子选择性和传导性，这不仅提高了恒流输出效率，还扩大了应用范围。

　　图15.基于离子浓度梯度驱动离子在二维纳米流体通道内定向迁移实现的能量器件

　　受控电荷传输是交叉学科的核心科学问题，它既是能量和信息流的载体，也是材料特性及动力学过程的探针。离子电子学利用离子作为信号载体，提供了调控电荷通量、控制离子电流方向和大小（类似于神经系统）以及放大信号的可能。在离子电子学中，双电层是离子-电子耦合的关键界面。通过对微观尺度双电层动态调控，控制离子传输和重新排列，可直接影响宏观器件电子特性。这为实现高效的能量和信息流提供了独特方法。

　　随着摩尔定律接近极限，传统的冯-诺依曼架构面临挑战。为了满足对数据处理能力不断升级的需求，迫切需要更高效的神经形态计算范例。离子电子学利用离子/电子耦合界面进行信号交换，与传统电子器件相比，在能效等方面具有显著优势，为新能源和低能耗类脑神经仿生等领域提供了全新研究范式。

　　该工作是魏迪教授近期关于离子电子学研究的最新综述之一。以离子为信号载体的离子电子学（Iontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科，其聚焦纳米限域空间内离子-电子耦合关系，为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。魏迪教授课题组介绍请登录。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。

　　王中林院士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与工程学院院长、讲席教授，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士。王中林院士在国际一流刊物发表期刊论文2100余篇（其中13篇发表于Science，7篇发表于Nature，65篇发表在相应子刊上），200余项专利，7部专著和20余本编辑书籍和会议文集。受邀做过1000余次学术讲演和大会特邀报告，是国际纳米能源领域著名期刊Nano Energy的创刊者与现任主编。截止到2022年11月1日，google学术论文引用35万次以上，h因子（h-index）287。全球材料科学总引用数和h指数排名世界第一；世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力综合排名第3位，其中2019年和2020年年度排名第1位。

　　魏迪教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究员，离子电子学（Iontronics）实验室负责人，北京市政府特聘专家、首都科技领军人才, 英国皇家化学会会士（FRSC），剑桥大学Wolfson学院高级研究员、芬兰Abo Akademi University客座教授。目前以通讯/第一作者发表论文100余篇，包括Nature Energy、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Matter等国际期刊。拥有国际专利申请（含PCT）200余项、获授权国际发明57项、授权中国专利28项，多项专利成功实现转化，转移给包括芬兰诺基亚、美国Lyten等公司。聚焦纳米技术在能源和传感上的应用，在Wiley、剑桥大学等出版社出版英文专著3部。

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