林曉鵬，肖友華，管奕琛，魯曉東，宗文杰，傅深淵

（浙江農(nóng)林大學化學與材料工程學院，浙江 杭州 311300）

1 IPMC智能軟材料

隨著科技的進步，未來生活中人機交互越來越頻繁，柔性、輕質(zhì)和強自適應性的智能器件將發(fā)揮重要的作用[1-2]；柔性智能器件不但具有驅(qū)動、傳感功能，而且具有更高的安全性和舒適性[3-4]。其中，在外界激勵（電、光、熱或催化等）下表現(xiàn)出功能響應（變形、熒光或化學反應等）的智能軟材料[5]是組成柔性智能器件的關(guān)鍵。目前，人工智能軟材料主要包括介電彈性體[6-7]、離子聚合物-金屬復合材料[8-9]、形狀記憶高分子[10-11]、液晶彈性體[12-13]和壓電聚合物[14-15]等。

相較于其他智能軟材料，離子聚合物-金屬復合材料（IPMC）具有低電壓驅(qū)動（小于10V）、響應速度快、小應變大變形和使用壽命長等優(yōu)點。典型的IPMC 由離子聚合物薄膜和上下表面的柔性電極組成，薄膜中含有可自由移動的離子[16]。當IPMC 作為驅(qū)動器時，在外電場激勵下離子交換薄膜內(nèi)的自由離子會發(fā)生定向遷移，陽離子朝陰極方向移動，陰離子朝陽極方向移動，陰陽離子分別在陽極和陰極逐漸積累，陰陽離子體積的差異使得離子遷移后兩側(cè)電極的體積差越來越大，導致IPMC電極發(fā)生膨脹或收縮，進而產(chǎn)生驅(qū)動彎曲變形，如圖1(a)所示[16]。另外，當IPMC在外力作用下發(fā)生彎曲時，內(nèi)部離子遷移導致上下電極表面出現(xiàn)電勢差，可用作傳感器，如圖1(b)所示[17]。

圖1 IPMC的驅(qū)動傳感機理及其應用展示[25-28]

IPMC 驅(qū)動器和傳感器本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換器，作為驅(qū)動器時，它能將電能轉(zhuǎn)化成機械能；作為傳感器時，它能將機械能轉(zhuǎn)化成電能[17]。IPMC的驅(qū)動器和傳感器具有可操縱性強、無噪聲、響應靈敏等特性，已在生物醫(yī)療器械[18-20]、仿生機器人[21-22]和生物傳感[23-24]等領(lǐng)域中被廣泛研究。例如：Ma等[25]開發(fā)了基于IPMC驅(qū)動器的仿生連翹花，并模擬了連翹花的開合過程，如圖1(c)所示；Chang等[26]研制了一種可用于控制藥物釋放的IPMC 開合裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示；Ming 等[27]研制了一種基于IPMC 傳感的智能手套，可用于脈搏監(jiān)測，如圖1(e)所示；Lee 等[28]制備了一種基于IPMC 的非侵入性咽喉傳感器，能夠準確識別喉嚨吞咽、咳嗽等運動模式，如圖1(f)所示。

IPMC 的驅(qū)動和傳感依靠于電極和離子之間的機電耦合作用[29]，表面柔性電極的性能對IPMC 的驅(qū)動和傳感性能起到至關(guān)重要的作用。因此，本文重點從IPMC 柔性電極材料的種類、電極的制備工藝和改性柔性電極對IPMC 驅(qū)動性能的提升策略方面進行總結(jié)，以期為IPMC 智能軟材料的開發(fā)和應用提供參考。

2 IPMC柔性電極材料

理想的IPMC 柔性電極應兼具較高的電導率、較大的比電容和優(yōu)異的電極穩(wěn)定性。較高的導電性有助于電子在電極中的快速傳導，可以提高IPMC的響應速度；比電容較大的電極材料能夠積累更多的電荷，使更多的離子發(fā)生遷移，有助于提高IPMC 的驅(qū)動和傳感性能；電極的化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性是IPMC 能夠長時間工作的基礎。因此，探索制備具有高導電性、大比電容、優(yōu)異的電化學和力學穩(wěn)定性的IPMC柔性電極材料具有重要意義。

2.1 IPMC柔性電極的材料篩選

如圖2 所示，IPMC 中主要使用的電極材料有金屬材料[30-32]、導電聚合物[33-35]和碳材料[9,36-37]。

圖2 IPMC柔性電極材料

2.1.1 金屬材料

IPMC柔性電極中常用的金屬材料主要包括鉑、金、鈀、銀、銅、鉻、鈦、鎳、鎵和銦等金屬［圖2(a)］[32,38-45]。相比于導電聚合物和碳材料制備的IPMC 柔性電極，由金屬材料制備柔性電極的電導率通常較高，有利于電子在電極上快速傳導，例如Kim 等[44]制備的金屬鎳電極電導率約166S/cm；而Ikushima 等[46]制備的導電聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）電極電導率為6.2×10-2S/cm；Bae等[47]制備的石墨烯柔性電極電導率為8.4×10-5S/cm。雖然理論上石墨烯具有更好的導電性，但是通常情況下石墨烯電極并非由一片完整的石墨烯片組成，而是通過大量石墨烯片自下而上組裝制備的，石墨烯片之間存在晶界缺陷，導致石墨烯的導電性能難以達到理論值。

雖然金屬電極具有較好的導電性，但也存在易腐蝕、表面易產(chǎn)生裂紋[48-49]和剛性過大[50]等缺點?；瘜W性質(zhì)較活潑的金屬材料易發(fā)生氧化而腐蝕，尤其在通電狀態(tài)下會加快金屬腐蝕速度；因此，活潑金屬材料通常不能單獨作為IPMC 電極而長期使用。He 等[45]的研究表明經(jīng)典Pt-IPMC 驅(qū)動器只有5000 次左右的循環(huán)壽命，之后因為電極表面出現(xiàn)裂紋導致驅(qū)動器失效；Yilmaz等[39]的實驗結(jié)果也證實厚的金屬電極層（＞45μm）會導致IPMC 驅(qū)動器剛度變大，造成IPMC 驅(qū)動器輸出位移下降。惰性金屬（金、鉑、鈀、鎳等）通常具有較好的化學穩(wěn)定性，能夠作為IPMC 電極材料長期使用而不易發(fā)生氧化。雖然貴金屬不易發(fā)生化學腐蝕，有利于提高IPMC 的使用壽命，但相對昂貴的價格也限制了其應用[35]。

2.1.2 導電聚合物材料

IPMC 柔性電極中常用的導電聚合物材料主要包括聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等[圖2(b)][51-53]。導電聚合物是具有共軛結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，存在共軛π電子，具有離域性，并且隨著共軛程度增加而增強。相比于金屬材料，導電聚合物具有較好的柔性，不存在金屬電極開裂的問題，基于導電聚合物制備IPMC 的柔性電極具有更好的耐久性，如Ikushima 等[46]基于PEDOT 制備的IPMC 致動器能夠循環(huán)超過100萬次。此外，導電聚合物中具有較大的贗電容，能夠通過氧化還原反應儲存和釋放電荷，有利于提高IPMC驅(qū)動器的輸出位移[54]。

雖然導電聚合物具有較好的柔性和較高的比電容，但是導電聚合物中電子離域相對困難，其導電性能（10-11～105S/cm）不如金屬材料（＞106S/cm）[55]。

2.1.3 碳材料

IPMC 柔性電極中常用的碳納米材料主要包括活 性 炭[56]、 碳 納 米 管 （CNT）[57]、 石 墨 烯（graphene）[58]和石墨炔（graphdiyne）[47]等[圖2(c)]。石墨烯、碳納米管等碳納米材料理論上具有優(yōu)異的導電性[石墨烯的理論載流子遷移率超過15000cm2/(V·s)]、較大的比表面積和良好的化學穩(wěn)定性等而受到廣泛關(guān)注[59-60]，例如Lu等[61]基于還原氧化石墨烯（rGO）電極制備的IPMC驅(qū)動器在經(jīng)歷100萬次驅(qū)動后，驅(qū)動性能幾乎沒有下降；Lu等[62]制備的石墨炔電極的比表面積達到864.7m2/g；Wu等[63]基于石墨氮化碳制備的電極具有高達259F/g的比電容。

雖然目前的研究已經(jīng)展現(xiàn)出碳材料電極優(yōu)異的性能，但是受到制備條件和工藝等影響，制備的碳材料存在晶界缺陷等問題導致其實際性能達不到理論性能[64]。

2.2 IPMC柔性電極的制備工藝

IPMC 電極層制備方法可分為化學方法和物理方法兩大類，如圖3所示。

圖3 IPMC柔性電極制備工藝方法

化學方法主要包括化學鍍[30-31,65]、電鍍[66-67]和原位聚合[35,51,53,68-69]。其中，化學鍍是制備電極層最常見的方法，首先將聚合物薄膜浸泡在含有金屬離子的溶液中使金屬離子滲透進薄膜內(nèi)部，然后加入還原劑將金屬離子在薄膜表面還原形成連續(xù)致密的金屬顆粒導電層。電極層的一部分金屬顆粒沉積在薄膜表面，另一部分則滲入到薄膜內(nèi)部?；瘜W鍍的優(yōu)點是制備的電極和聚合物薄膜附著牢固，但是制備過程耗時并且只適用于制備金屬電極。為了縮短IPMC 的制備時間和進一步提高電極質(zhì)量，可結(jié)合使用電鍍的方式制備電極層[66]，該方法是先通過化學鍍使薄膜表面具有一定的導電性，然后通過電鍍進一步提高電極層的導電性和連續(xù)性并縮短制備電極的時間。此外，化學制備IPMC 電極的方式還有在薄膜表面原位聚合制備導電聚合物電極，分為化學聚合[35,51,53,71]和電化學聚合[68-70]。其中，化學聚合通常是加入引發(fā)劑催化單體進行自由基聚合[71]；電化學聚合制備IPMC 電極是在薄膜表面進行通電，發(fā)生氧化還原反應，產(chǎn)生自由基，從而在IPMC 表面引發(fā)原位自由基聚合[70]。

物理方法主要包括氣相沉積、熱壓[58,72-74]、逐層澆鑄[75]和涂覆[45]等。其中氣相沉積鍍膜法還包括真空蒸發(fā)鍍膜法[76]和濺射鍍膜法[77]，氣相沉積的原理是將細小的金屬顆粒沉積在薄膜表面形成電極層，該方法制備的電極層存在易脫落的問題。后來Yan 等[78]使用超音速團簇束注入技術(shù)（SCBI）制備金屬電極，這種方式濺射出的金屬粒子具有更強的穿透力，能夠植入薄膜內(nèi)部，得到的電極層具有良好的附著力。此外，還可以通過熱壓的方式制備電極。熱壓法是在加熱情況下將電極層和聚合物薄膜疊合壓制而成。加熱可以使薄膜軟化以改善薄膜和電極黏合性能，Chen等[79]研究表明熱壓法可以有效將電極層和薄膜粘接到一起，并且具有出色的附著力。此外，物理制備電極的方式還有逐層澆鑄法和涂覆法。逐層澆鑄法是按次序澆鑄電極漿料-聚合物薄膜-電極漿料，電極漿料通常是含有導電材料和聚合物薄膜的混合物，這種電極漿料和薄膜具有很好的相容性。涂覆法是使用涂刷、噴涂和浸涂等方式將導電漿料涂在聚合物薄膜表面而形成電極層。

2.3 IPMC柔性電極性能改善策略

不同的電極材料仍存在許多問題，例如，活潑金屬電極的氧化腐蝕，導電聚合物電極的導電性較差，碳材料電極的實際性能與理論性能之間還存在較大差距等。因此，為了進一步提高IPMC 柔性電極的性能，從電極的耐久性、電極的比電容和電極的導電性3個方面分別總結(jié)相應的提升策略。

2.3.1 IPMC金屬電極耐久性的提升策略

基于碳材料和導電聚合物制備的IPMC 柔性電極通常具有較好的機械和化學穩(wěn)定性[46,61]，而基于金屬電極制備的IPMC 驅(qū)動器在驅(qū)動過程中金屬電極會出現(xiàn)裂紋和活潑金屬電極氧化腐蝕等問題，導致金屬電極失效[49,80]。

2.3.1.1 防止金屬電極出現(xiàn)裂紋導致失效

IPMC 金屬電極主要是通過化學鍍、電鍍和氣相沉積鍍膜法等制備形成的由無數(shù)細小的金屬顆粒堆積而成的電極膜。當IPMC 發(fā)生彎曲變形時，背向彎曲一側(cè)的金屬電極會被拉伸變形，使得原本緊密堆積的金屬顆粒容易出現(xiàn)間隙，往復驅(qū)動變形過程中甚至發(fā)生電極脫落，出現(xiàn)裂紋，導致電極的連續(xù)性受到破壞。

相比固態(tài)金屬，液態(tài)金屬具有較好的流動性，因此不存在開裂的問題，如圖4(a)所示，He等[45]通過在Pt 金屬電極表面涂覆液態(tài)金屬，利用液態(tài)金屬優(yōu)異的導電性和流動性能夠修補Pt 金屬電極在驅(qū)動變形中產(chǎn)生的裂縫，恢復失效電極的導電性，從而提升Pt 金屬電極的穩(wěn)定性?；谝簯B(tài)金屬復合電極的IPMC驅(qū)動器具有超過500次的循環(huán)壽命，是原始Pt-IPMC驅(qū)動器的5倍多。

圖4 防止IPMC金屬電極疲勞失效的解決策略[45,49,66]

另外，利用活潑金屬離子原位還原也可以修補金屬電極的裂紋。當IPMC 致動器驅(qū)動時，活潑的金屬電極在電解作用下會離子化變成金屬陽離子，并且在電場作用下向陰極遷移，最后在陰極發(fā)生還原反應重新變成金屬顆粒。例如Peng 等[66]基于Cu/Pt復合電極制備IPMC驅(qū)動器如圖4(b)。當IPMC致動器驅(qū)動時，陽極側(cè)的銅原子在電解作用下變成Cu2+并在薄膜中向陰極遷移，Cu2+到達陰極后獲得電子被還原成Cu 原子附著在電極上，這些還原的金屬原子可以填補電極膨脹拉伸時產(chǎn)生的裂紋，該過程的化學反應見式(1)、式(2)。

此外，導電聚合物復合也可以提高金屬電極的使用壽命，這是因為導電聚合物具有導電性和較好的柔性，在金屬電極上涂覆聚合導電聚合物可以防止電極因金屬層出現(xiàn)裂紋而連續(xù)性破壞。如圖4(c)所示，Guo 等[49]在鉑電極表面通過電化學聚合得到導電聚合物PEDOT 來修復金屬電極的裂紋，PEDOT/Pt-IPMC 的使用壽命為498 次，是原始Pt-IPMC 使用壽命的4.98倍。

2.3.1.2 提高金屬電極的電化學穩(wěn)定性

活潑金屬電極驅(qū)動時在空氣中易發(fā)生氧化反應，使得電極導電性下降，降低IPMC 驅(qū)動器的驅(qū)動性能，甚至導致器件失效。如果能避免活潑金屬電極與空氣接觸則可以防止其發(fā)生氧化反應，提高活潑金屬電極的電化學穩(wěn)定性。

如圖5(a)所示，Lu等[81]制備了一種穩(wěn)定的rGO/Ag復合電極，利用rGO包裹Ag納米顆粒，使Ag納米顆粒和氧氣隔絕；通過循環(huán)伏安測試對比可知，未保護的Ag-IPMC 存在明顯的氧化還原峰，而rGO/Ag-IPMC 無明顯的氧化還原峰。如圖5(b)所示，Liu 等[82]采用電化學聚合的方式在Ag-IPMC 表面原位聚合制備聚吡咯（PPy）導電包覆層，使Ag電極和空氣隔離，降低金屬電極的腐蝕速度，制備的PPy/Ag電極的腐蝕速率為3.276×10-3g/(m2·h)，遠低于Ag電極的腐蝕速率[4.644g/(m2·h)]。

圖5 電極電化學穩(wěn)定性的提升策略[81-82]

2.3.2 IPMC柔性電極比電容的提升策略

IPMC 存在兩種存儲電荷的方式，分別是雙電層電容存儲和法拉第準電容存儲。當IPMC 驅(qū)動時，薄膜中的可移動陰陽離子在電場作用下分別向陽極和陰極遷移聚集，從而在電極與薄膜界面處形成具有相反電荷的雙電層，其中遷移的離子越多，遷移后產(chǎn)生的體積差異越大，使得IPMC 驅(qū)動器的彎曲性能越好。法拉第準電容存儲則是依靠電極上的電活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原存儲電荷，也稱為贗電容。

由于導電聚合物可以通過氧化還原來儲存電荷，因此基于導電聚合物電極制備的IPMC 通常具有較大的比電容[54]；而金屬電極的氧化還原可逆性較差，碳材料不易發(fā)生氧化還原反應，因此金屬電極和碳材料電極主要通過雙電層儲存電荷。對于金屬電極而言，可以通過提高電極雙電層電容存儲電荷的能力來增大電極的比電容，例如粗化薄膜表面后再制備IPMC 柔性電極可以增大薄膜和電極的接觸面積，擴大雙電層電容的界面，使電極通過雙電層存儲的電荷增加[83]。如圖6 所示，目前常用的粗化方式包括砂紙打磨[84-85]、噴砂[84]、微針輥粗化[86]和等離子蝕刻[87-89]等方式，其中砂紙打磨是最常見的粗化方式。Liang等[90]使用砂紙對離子交換膜粗化后使電極的表面積由132×104μm2提高到151×104μm2，增大了13%。Wang等[91]研究了噴砂工藝對IPMC 驅(qū)動器的影響，隨著噴砂處理的時間增加，薄膜的表面粗糙度增大，制備的IPMC 驅(qū)動器的比電容從0.18mF/cm2提高到0.34mF/cm2，并且驅(qū)動器的尖端最大位移從0.6mm 提高至3.8mm。Chang 等[86]研究了微針輥粗化薄膜對IPMC 驅(qū)動性能的影響，結(jié)果表明微針輥粗化處理薄膜后，IPMC 的比電容達到0.67mF/cm2，是初始IPMC的4倍，該驅(qū)動器驅(qū)動后的最大尖端位移為24.4mm，是初始IPMC 的4 倍。Saher等[88]研究了等離子處理薄膜對IPMC驅(qū)動性能的影響，等離子處理后薄膜的表面粗糙度顯著增加，并且驅(qū)動器的比電容由15μF/cm2提高至1100μF/cm2，等離子處理后制備的IPMC 驅(qū)動器的最大尖端達到了13mm，是未等離子處理驅(qū)動器的2.6 倍。另外，如圖6 所示，Yan 等[78]展示了使用SCBI 技術(shù)制備Au-IPMC 的方法，SCBI 技術(shù)可將高速金屬粒子射向聚合物薄膜，較高的動能使粒子能夠穿過薄膜表面進入薄膜內(nèi)部。與常見的氣相沉積方法相比，該方法使金屬粒子進入薄膜內(nèi)部，增大電極的比表面積，比電容達到了30μF/cm2。

Ma 等[25]報道了使用異丙醇輔助化學鍍制備IPMC Pt 電極的方法。他們使用異丙醇和水作為混合溶劑使Nafion膜溶脹狀態(tài)下進行化學鍍，溶脹狀態(tài)下金屬離子能夠更加容易進入薄膜內(nèi)部，薄膜內(nèi)部的金屬離子被還原成金屬原子后在薄膜內(nèi)部形成電極，之后除去異丙醇使膜和電極層收縮而致密，通過該方法制備的IPMC 驅(qū)動器驅(qū)動時彎曲角度達到了102.3°。

對于碳材料而言，可以通過在電極中添加能夠發(fā)生氧化還原的材料來提高電極的法拉第準電容，其中導電聚合物是較為常見的具有贗電容的材料。如圖7(a)所示，Liu等[54]通過在rGO分散液中原位聚合制備聚苯胺（PANI）納米粒子復合的rGO/PANI電極，利用PANI 能夠發(fā)生可逆氧化還原反應的優(yōu)勢，可以幫助電極儲存更多的電荷?；趓GO/PANI電極制備的IPMC具有207F/g的比電容，超過基于rGO 電極制備的IPMC（79F/g），該驅(qū)動器的尖端位移達到4.3mm，是基于rGO 電極驅(qū)動器的4.25倍。Terasawa等[34]在單壁碳納米管加入PEDOT:PSS 制備復合電極，基于該復合電極得到的IPMC驅(qū)動器的比電容達到了244.2F/g，其是基于碳納米管電極制備的IPMC 驅(qū)動器（51.2F/g）的4.76 倍；同時他們還在多壁碳納米管中加入二氧化錳（MnO2）得到MnO2/MWCNT 電極[92]，基于該電極制備的IPMC驅(qū)動器具有較高的比電容（140F/g），是基于MWCNT電極的IPMC驅(qū)動器的4倍。

圖7 IPMC柔性電極比電容的提升策略[9,54,63,94-95]

此外，碳材料電極還可以通過摻入雜原子的方式來提高電極的比電容。如圖7(b)所示，Tabassian等[9]制備氮摻雜rGO的電極用于IPMC驅(qū)動器，首先通過單氰胺和氧化石墨烯反應得到氮摻雜的氧化石墨烯，然后加入還原劑還原得到氮摻雜的rGO，循環(huán)伏安測試表明氮摻雜的rGO具有比rGO更高的比電容，相比基于rGO電極的驅(qū)動器，該驅(qū)動器的最大尖端位移提高了520%。Kotal 等[93]制備出基于硫和氮共摻雜rGO 電極的IPMC 驅(qū)動器，因為氮元素（3.04）和硫元素（2.58）的電負性大于碳（2.55），能夠改變碳材料原來電中性的狀態(tài)，使電極具有更多儲存電荷的活性位點。該電極在氫氧化鉀水溶液中具有高達284F/g 的比電容，超過相同條件下制備的rGO電極。

另外還可以通過構(gòu)建具有高比表面積的碳材料電極來提高電極的比電容。如圖7(c)所示，Kotal等[94]制備了一種由石墨相氮化碳（GCN）和氮摻雜石墨烯組成具有三維結(jié)構(gòu)的GCN-NG 電極，該電極的比表面積為179m2/g，是石墨烯（27.96m2/g）的6.4 倍，較大的比表面積使電極具有更大的雙電層電容，該電極具有325F/g 的比電容，是石墨烯電極（129F/g）的2.51 倍。另外如圖7(d)所示，Kim 等[95]制備了一種具有三維結(jié)構(gòu)的石墨烯-碳納米管-鎳異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)（G-CNT-Ni）電極，由于G-CNT-Ni 具有較大的比表面積（279m2/g），使得G-CNT-Ni的比電容高達452.33F/g，是相同條件下得到rGO的2.38倍。如圖7(e)所示，Wu等[63]報告了一種基于GCN 納米片和碳納米管制備的IPMC 電極，由于GCN 的多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和其上的氮原子，使得GCN具有更高的比電容（259.4F/g）。

2.3.3 IPMC柔性電極電導率的提升策略

材料的導電性會影響電子的擴散速度，導電性較好的電極材料有利于電子快速傳導，加快電荷在電極和薄膜界面處積累，提高IPMC 驅(qū)動器的響應速度。

金屬電極通常具有較好的導電性[31,39]，而導電聚合物的電導率在10-11～105S/cm 之間，導電性能不如金屬材料；另外，碳納米管和石墨烯等碳納米材料理論上具有優(yōu)異的導電性，但通過自下而上組裝工藝制備的電極往往在微觀上存在大量的晶界缺陷，并不能很好體現(xiàn)碳材料本身的導電優(yōu)勢。對于導電聚合物而言，通過在電極中添加具有較好導電能力的材料可以提高導電聚合物電極的導電性。如圖8(a)所示，Wang 等[96]將MWCNT 加入PEDOT 中，因為MWCNT 良好的導電性使得PEDOT:PSS/MWCNTs 電極電導率（153.75S/cm）超過PEDOT:PSS電極（4.64S/cm），在相同驅(qū)動電壓下，該驅(qū)動器的響應速度大約是基于PEDOT:PSS 電極制備驅(qū)動器的2倍。

圖8 IPMC柔性電極電導率的提升策略[9,93,96-97]

對于碳材料電極而言，可以通過在電極中摻入雜原子提高電極導電性。如圖8(b)所示，Kotal等[93]利用富電子型的硫和氮元素共摻雜石墨烯，由于富電子型原子的加入使石墨烯中碳原子的電子云密度增加，提高了石墨烯的電導率。硫和氮共摻雜石墨烯復合電極的電導率達到767.49S/cm，遠高于石墨烯電極（575.71S/cm）。如圖8(c)所示，Roy 等[97]在基于噻吩的共價骨架中摻雜硼和硫原子，富電子型硫元素能夠幫助電極中的電子傳導，而硼屬于缺電子型元素，電極中加入硼原子有利于空穴的傳導；制備得到的硼和硫共摻雜的電極具有較好的電導率（752S/cm），并且能夠同時加快電子和空穴的傳導。此外，還可以通過構(gòu)建穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡來提高碳材料電極的導電性。例如石墨烯的理論載流子遷移率超過15000cm2/(V·s)，是目前導電性能最出色的材料[98]。但是石墨烯片之間依靠搭接傳遞電子，片與片之間的晶界缺陷導致石墨烯電極的導電性能無法達到理想效果。為了提高石墨烯的導電性，如圖8(d)所示，Tabassian 等[9]通過在鎳網(wǎng)上氣相沉積連續(xù)的石墨烯導電網(wǎng)絡，然后將樣品浸泡在鹽酸溶液中去除鎳金屬網(wǎng)，制備出具有中空管狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)石墨烯網(wǎng)電極。這種制備方式使石墨烯電極的方塊電阻從900Ω/sq 下降至13.26Ω/sq，相比基于氮摻雜rGO 電極的IPMC 驅(qū)動器，基于石墨烯網(wǎng)和氮摻雜石墨烯復合電極制備的IPMC 驅(qū)動器的響應速度提高了10倍。

3 結(jié)語

綜述介紹了IPMC 的驅(qū)動、傳感機理及IPMC柔性電極相關(guān)的研究進展?；谝延械难芯砍晒砻?，目前IPMC 柔性電極的材料主要包括金屬材料、導電聚合物和碳材料。其中，基于金屬材料、導電聚合物和碳納米材料制備的IPMC 電極分別主要存在疲勞開裂、活潑金屬易氧化腐蝕，導電率較低和實際性能與理論性能存在較大差距等問題。為此，分別從提高IPMC 電極的穩(wěn)定性（機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性）、比電容和電導率上分別總結(jié)了相應的研究進展。理想的IPMC 柔性電極應兼具較高的電導率、較大的比電容和優(yōu)異的電極穩(wěn)定性，使IPMC 具有較快的響應速度、較大的尖端位移和較長的使用壽命。為了進一步開發(fā)高性能的柔性電極材料，還需要繼續(xù)考慮以下幾個問題。

（1）IPMC金屬電極的穩(wěn)定性較差，影響IPMC驅(qū)動器的使用壽命。一方面，通過化學鍍和電鍍等方法制備的金屬電極是由無數(shù)細小的金屬顆粒堆積而成的，容易疲勞開裂而失效，防止金屬電極的開裂失效或賦予失效電極的修復功能有助于提高金屬電極的機械穩(wěn)定性；另一方面，防止活潑金屬電極的氧化腐蝕有助于提高活潑金屬電極的化學穩(wěn)定性。

（2）導電聚合物電極導電性較差，影響IPMC驅(qū)動器的響應速度。由于導電聚合物中電子離域相對困難，導致導電聚合物電極的電導率較低。

（3）納米碳材料的優(yōu)勢未充分發(fā)揮。石墨烯等碳材料理論上具有優(yōu)異的導電性能，但是基于碳材料制備的電極與理想性能之間仍存在較大差距。因此，如何把碳納米材料的理論性能轉(zhuǎn)化成實際性能還需進一步研究。

（4）具有可逆氧化還原反應的柔性電極可額外存儲和釋放電荷，有助于增加IPMC 的比電容，進一步增加IPMC驅(qū)動器的尖端位移。

（5）現(xiàn)有報道的IPMC 電極材料的透光性普遍較差。如果能夠制備高導電的柔性透明電極，從而制備透明IPMC 驅(qū)動器或傳感器，其在醫(yī)療和可穿戴設備等對可視化要求高的領(lǐng)域中具有更高的應用潛力。

（6）IPMC 電極的規(guī)模化制備問題。為了能夠滿足實際應用需求，在IPMC 生產(chǎn)過程中不僅要考慮電極性能，還需考慮生產(chǎn)成本、制備工藝是否煩瑣、制備條件是否苛刻等問題。