河南大学杨文胜/张琳AM：油/水界面双极电化学，一步精准构筑四组分Janus微粒

摘要：在材料科学的浩瀚星空中，Janus 微粒凭借其独特的不对称结构闪耀着独特的光芒。这种空间上的非对称性，赋予了Janus微粒丰富而多变的功能特性，使其备受科研界瞩目。然而，传统合成方法如电流体动力共喷射、气相沉积等，虽各具特色，但这些工艺普遍流程复杂，且在实现多

在材料科学的浩瀚星空中，Janus 微粒凭借其独特的不对称结构闪耀着独特的光芒。这种空间上的非对称性，赋予了Janus微粒丰富而多变的功能特性，使其备受科研界瞩目。然而，传统合成方法如电流体动力共喷射、气相沉积等，虽各具特色，但这些工艺普遍流程复杂，且在实现多种材料于单微粒上的精准空间分布时，常常面临巨大挑战。

双极电化学（Bipolar Electrochemistry, BPE）近年异军突起，为Janus微粒的制备带来新的契机。在BPE系统中，导电物体在外加电场下两端发生极化，化身“无线电极”，其两端可同时发生氧化和还原反应，具有无线连接和空间选择性修饰的优点，能够打破电极的对称性，让预设结构的Janus微粒合成成为可能。目前，BPE在双极电极上能够沉积多种材料，包括金属、金属氧化物、有机分子层、以及导电聚合物等。然而，当前基于BPE的方法主要集中于单组分或双组分修饰，实现多组分的精准构筑依然面临诸多理论和技术挑战。

为攻克这一难关，河南大学杨文胜教授和张琳教授联合法国波尔多大学Alexander Kuhn教授，创新性地提出了水/油（w/o）两相界面双极电化学新策略，实现了四组分功能化微粒的一步法精准构筑。研究团队通过巧妙调控玻璃碳微球的亲水与疏水区域，使其如“精准布阵的士兵”般规整排列于w/o界面。在该体系中，施加于平行界面的电场可同时在水相与有机相诱发不同的电化学氧化与还原反应，实现多组分的协同沉积。由于两相反应独立进行，互不干扰，不仅精准调控了微粒的空间取向，还突破性地实现了单步触发多种反应、同步构筑多功能界面的目标。该研究成果以“One-Pot Single-Step Approach for the Controlled Synthesis of Multifunctional Microparticles”为题发表在《Advanced Materials》上，为多功能化Janus微粒的合成提供了全新的思路和方法。

【界面定位 + 平行电场，精准“指哪打哪”单组分修饰】

双极电化学合成Janus微粒及单组份Cu修饰

研究团队展示了 Cu/GC Janus 微球的合成过程。水相含有Cu²⁺离子和对苯二酚（HQ），当在水/油界面施加平行电场时，微球两端分别发生铜的电化学还原沉积与HQ的电化学氧化反应。这些反应均限定在水相内进行，实现了对微球特定区域的精准改性。研究结果表明，沉积面积与电场强度密切相关，可通过电场强度“按需定制”改性区域。

【双组分修饰，Janus 微球的精巧 “妆点”】

双组分修饰：MnO₂/PANI及Cu/PANI Janus微粒

在单组分基础上，研究者进一步提出两种高效双组分策略：

同端共沉积(MnO₂/PANI)：水相Mn²⁺与有机相苯胺在同一极化端（阳极）同步发生电化学氧化沉积。利用牺牲剂(BQ/TCNQ)，在30.4 V cm⁻¹电场下，形成共轭的半圆形MnO₂和PANI沉积区。油水界面的阻隔保证了反应的独立性，导电GC微球提供了跨相电子通路。

对角沉积(Cu/PANI)：水相Cu²⁺还原与有机相苯胺聚合耦合，实现了独特的对角修饰。此策略无需牺牲剂，反应通过微球电子转移直接耦合触发。

【牺牲剂作用，沉积比例自由调控】

牺牲剂调控Janus微粒多组分沉积

双组分修饰过程中，沉积面积虽可扩展，但各材料比例受氧化还原电位约束，难以灵活调整。团队引入“牺牲剂”理念，通过引入可消耗额外电子的反应物，让其与目标沉积反应竞争电子资源，从而动态分配电子流，实现对两种组分沉积比例与区域的精确控制。

【四组分 Janus微粒：跨界多材料同步沉积】

一步法制备四组分功能化微粒

该策略集成双极电化学与水/油界面反应空间，在同一微球上同步实现多达四种材料的协同沉积。Cu²⁺的还原与水相中 Mn²⁺的氧化相耦合，而 [AuCl₄]⁻的还原与有机相中苯胺的氧化相耦合。水油界面本身阻碍了离子的跨相扩散，而导电微球则承担了电子通道角色，实现多组分分区域精准拼接。

【方法拓展至二维材料：从3D到2D的全面适用性】

四组分改性2D 薄膜

值得一提的是，该“一锅法”策略同样适用于二维薄膜如PEDOT。通过电场优化，可在2D平面上同步沉积四组分，展现了从3D球体到2D基底的广泛适应性，为多组分斑块状功能材料的规模化制备提供了便捷平台。

【多功能 Janus 微粒：磁场操控、药物释放、特异标记】

多功能荧光-药物释放-运动追踪微粒

制备出的Janus微球展现出了多功能特点：MnO2 部分赋予其磁响应特性，实现精准操控；PANI区域响应pH变化，实现药物分子的可控释放；Au区域则可用于特异性荧光标记。这些“多能合一”的微粒在生物医学、微纳机器人等领域展现出巨大应用潜力。

总结：作者团队开创性地利用双极电化学，在油水界面一步合成多组分Janus斑块材料。水油界面的物质阻隔与两亲性微粒的电子通路配合，使四组分材料（如Cu、MnO₂、Au、PANI）得以同步精准沉积，生成空间分布清晰、结构复杂的Janus微粒，通过电场强度与牺牲剂调控，实现沉积区域与比例的灵活调节。该策略的2D、3D普适性和微粒批量并行修饰能力，为多功能材料在催化、传感等前沿领域的设计和制备提供了全新策略。