华南理工大学王小慧教授和英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授团队：纳米纤维素协同LiCl构筑环境适应性导电水凝胶

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随着柔性电子器件的蓬勃发展，导电水凝胶凭借其优异的电子性能和机械柔韧性，被认为是柔性电子器件理想的候选材料。然而，传统的导电水凝胶由于其丰富的含水量，使其对环境较为敏感。当温度降到冰点以下，水凝胶容易冻结，机械柔性下降，离子传输受阻，限制了其在低温气候和高海拔地区的应用。即使暴露在室温环境下，水凝胶极易失水变干，影响其长期使用。近年来，研究人员将乙二醇、甘油等有机溶剂引入到水凝胶体系中能够显著改善水凝胶的环境稳定性。然而，有机溶剂的参与往往会使体系中的含水量降低，导致离子电导率的下降。此外，将高浓度的无机盐溶液引入聚合物网络也能有效降低水凝胶的凝固点。但大量的无机盐离子往往会削弱水凝胶三维网络的机械强度。因此，开发兼具环境适应性、高导电性和良好机械性能的水凝胶迫在眉睫。

针对上述问题，华南理工大学王小慧教授和英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授研究团队将纤维素纳米纤维（CNF）和LiCl引入到聚丙烯酰胺（PAM）基体中，设计了一种具有抗冻性、抗脱水性、可拉伸性和导电性的双网络水凝胶。借助分子动力学模拟，并结合热力学和光谱学（拉曼和低场核磁共振）分析，研究了凝胶内部水分子的相互作用，证实了凝胶网络中LiCl与水之间强大的离子水合作用有助于提高凝胶中水分子的稳定性，赋予水凝胶良好的环境适应性，即在-80~25 °C的宽温度范围显示出优异的抗冻性，在室温环境下保持良好的抗脱水性。得益于CNF与LiCl的协同作用，即使在-40 °C条件下，该水凝胶仍然表现出稳定的可拉伸性（~748%）和足够的离子电导率（2.25 S/m）。利用该水凝胶作为电解质应用于双电层超级电容器，实现了优异的机械柔性、循环稳定性（10000次循环后比电容保持率为96%）和低温条件下的工作稳定性。

图1 PAM/CNF/LiCl水凝胶的制备示意图

图2 分子动力学模拟结合热力学和光谱学分析揭示PAM/CNF/LiCl水凝胶结构-水的相互作用

图3 PAM/CNF/LiCl水凝胶的抗冻性、抗脱水性、拉伸性和导电性

图4 PAM/CNF/LiCl水凝胶作为电解质应用于双电层超级电容器

以上相关成果以“Nanocellulose/LiCl systems enable conductive and stretchable electrolyte hydrogels with tolerance to dehydration and extreme cold conditions”为题发表在Chemical Engineering Journal（DOI：doi.org/10.1016/j.cej.2020.127306）。论文第一作者为华南理工大学博士后葛文娇，通讯作者为Orlando J. Rojas教授和王小慧教授。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基础研究项目、加拿大卓越研究员计划、加拿大创新基金会和欧盟科研创新计划“地平线2020”的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127306

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