目前学术界公认的IPMC材料驱动机制是电容致动机理，在驱动电压刺激下，一定数量的离子在电极层中的预膨胀、嵌入、嵌出，引起电极材料的可逆膨胀与收缩效应，这种效应导致了驱动器的宏观应变。换言之，电极材料储能越大，驱动效应越强。基于此机制，各种高储能的纳米材料都被尝试用作IPMC电极，驱动性能相比于传统IPMC材料得到大幅提升，但是较实际应用仍然存在较大的差距，曾经一度成为人们难以理解的困惑。究其原因，储能与驱动性能之间并不总是正相关的，它们之间存在一个能量转换效率的问题。经过大量的调研与探索，我们发现，电极的能量转换效率主要由材料的电学特性、孔道构型、分子结构以及力学特性等复杂因素决定。因此，想要在驱动性能和应用上取得突破，就必须发展新型纳米结构活性材料，探索新的储能-转换机制。
近期，中科院苏州纳米所陈韦研究员课题组与中科院北京化学所李玉良院士以及香港理工大学陶肖明教授等团队合作，设计制备了一种基于石墨炔新材料的电化学驱动器，并从石墨炔材料微观分子驱动机制的发现，到宏观驱动器件的高能量转换效率驱动特性，开展了全面系统的研究。提出并实验验证了一种新型分子驱动机制—石墨炔烯炔互变效应，该机制完全不同于传统的电容驱动机制，它是基于可逆配位转换效应引起的材料结构变化，如图1所示。由于常规检测手段（如：拉曼、红外等）难以捕捉这一分子尺度的配位转换效应，于是，我们创造性的利用高灵敏的原位和频共振光谱技术，从实验上验证了这一分子驱动机制，如图2所示。正是由于这种活性功能单元的作用，石墨炔IPMC柔性电极不仅表现出优异的电化学储能特性，同时，也表现出电-机械能量转换能力。石墨炔驱动器比电容高达237 F g-1，倍率特性良好，换能效率高达6.03%，远高于同类电化学换能器件，能量密度高达11.5 KJ m-3, 与哺乳动物生物肌肉能量密度相当，将电化学驱动器的性能提升到了一个新的水平，如图3所示。相关成果已发表在《自然—通讯》杂志上（Nature Communications, 2018, 9,752）。
感谢苏州纳米所国际实验室蔺洪振老师在和频光谱方面的合作。该工作得到国家自然科学基金、江苏省科技计划项目(产业前瞻与共性关键技术)，中国科学院国际合作重点项目等的资助。
图1 基于石墨炔材料的烯炔互变分子驱动机制示意图
图2 利用原位和频共振光谱技术验证石墨炔材料烯炔互变分子驱动机制
图3 石墨炔电化学驱动器性能表征
