四川大学崔为/冉蓉《AFM》：离子诱导协同交联和盐析制备强韧导电水凝胶

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向绝缘水凝胶中引入自由离子是提高其导电率最普遍的方法之一。然而引入的自由离子对水凝胶产生的力学影响却经常被人们忽略。该工作报道了通过阳离子和阴离子的协同作用对水凝胶进行极端增韧，而不需要特定的结构设计或添加其他增强剂。其策略是在可以同时诱导交联和盐析的特定盐溶液中平衡对多价阳离子和有序化水溶性阴离子都敏感的物理双网络水凝胶。两种离子效应都对提高原始凝胶的机械性能和导电性具有积极作用，将其转变为具有优异物理性能的强韧导电凝胶。在盐溶液中浸泡前后，水凝胶的断裂应力、断裂能和离子电导率分别相差530倍、1100倍和4.9倍。浸泡后，水凝胶的最佳断裂应力和韧性可达到15 MPa和39 kJ m^-2，优于大部分强韧导电水凝胶，同时还能维持1.5 S m^-1左右的离子电导率。这项简单策略也被证明可以推广到其他盐离子和聚合物，有望将水凝胶的应用领域扩展到对于机械耐久性要求极高的电子产品中。

相关研究结果以“Strong Tough Conductive Hydrogels via the Synergy of Ion-Induced Crosslinking and Salting-Out”发表于Advanced Functional Materials, 第一/通讯作者分别为四川大学崔为副研究员、冉蓉教授。

图1. 通过阳离子诱导交联、阴离子诱导盐析对水凝胶进行协同增韧的策略。

作者以海藻酸钠和聚乙烯醇的双网络体系为模型展示了阳离子和阴离子在水凝胶体系中调节网络结构、增强机械性能和实现功能化的协同作用。由于海藻酸钠和聚乙烯醇分别对多价阳离子和有序化水溶性阴离子敏感，当制备的凝胶浸泡在特定的盐溶液（硫酸锌、硫酸铝、乙酸锌等）中时，初始的缺口敏感、导电性差的水凝胶转变为极强、坚韧的导电水凝胶，归因于阳离子和阴离子同时诱导的交联和盐析效应。

图2. 盐溶液对物理双网络水凝胶溶胀、微结构、含水量的影响。

初始水凝胶在水和盐溶液中表现出完全相反的溶胀行为，从而在极大程度上影响其微观结构。在硫酸锌溶液中浸泡后，凝胶发生显著去溶胀，网络结构变得极其致密，同时水含量下降。

图3. 通过阴阳离子协同作用实现对水凝胶机械性能的增强及调控。

通过改变盐溶液浓度可以在宽范围内轻松调控水凝胶力学性能。得益于离子诱导形成的大量动态键，相比于纯水中平衡的水凝胶，盐溶液平衡的水凝胶兼具高强度、抗裂纹扩展性及自恢复能力。

图4. 对阴阳离子协同作用的表征。

图5. 阴阳离子协同作用的验证及其推广。图6. 阴阳离子协同增韧的水凝胶用作抗枝晶电池隔膜以及抗裂纹传感器。

阴阳离子的引入同时显著提升了水凝胶的离子导电率。由于水凝胶还具由具力学性能及抗裂纹扩展性，其在抗电池枝晶生长(2800小时)，抗裂纹传感器方面有良好的潜在应用。

总结：向水凝胶体系中引入离子是提高其电导率的常见方法，但离子对水凝胶物理性质的影响却往往被忽略。该工作提出一种阴阳离子的协同增韧方法，同时在水凝胶体系实现交联、盐析、提高导电率三种作用，为强韧导电水凝胶的开发提供了新的思路。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202204823

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