理工学院张祺教授 & 中科院长春应化所段晓征副研究员团队：水致相分离实现离子凝胶中离子电导率的独特转变

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期刊介绍

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Aggregate (《聚集体》)致力于发表聚集体科学领域的基础和应用研究的重要进展和创新性成果，包括但不限于材料、化学、物理、生物以及应用工程等领域。聚集体科学研究范围广泛，单分子层次之上均可视为聚集体。

Aggregate (《聚集体》)鼓励人们打破学科藩篱，实现研究范式的转移，在更高的结构层次上探索更复杂的系统和过程。

文章信息

作者：姚乐, 明小庆,林城江, 段晓征, 朱贺, 朱世平, 张祺

Keywords:

humidity-responsive

ionic liquid

polymer gel

ionic conductivity

phase separation

原文链接：

https://doi.org/10.1002/agt2.249

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文章简介

近年来，离子器件（包括柔性可穿戴设备、生物界面、新型能源器件等）的崛起，打破了传统电子器件在选材和设计上的限制，为电功能器件的发展提供了多维度的选择。为实现应用场景的智能化，人们致力于赋予离子器件可切换的导电性。然而，现有的光驱动和热驱动离子开关存在电导率调节幅度小或能耗需求大（需要外部冷源或热源）的局限性。水作为日常生活中最常见的绿色资源，具有清洁环保、无能耗、易获取的特点，是离子开关驱动因素极为理想的选择。

本文中，香港中文大学（深圳）理工学院张祺助理教授和中科院长春应用化学研究所段晓征副研究员等人报道了一种反常规的湿度响应离子凝胶（HRIG）。与传统的湿度响应材料（湿度和电导率呈正相关）不同，HRIG的离子电导率随着环境湿度上升反而下降，起到了电路保护的作用。该材料的设计思路是在疏水的高分子网络（聚甲基丙烯酸苄酯）中引入疏水性的离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐）和强吸湿性的锂盐（双三氟甲基磺酰亚胺锂）。在低湿度环境下，HRIG呈现出均一稳定的凝胶特性；而在高湿度环境下，锂盐捕获空气中的水分子，形成稀相并从高分子聚集的浓相中分离出来，浓相阻碍了载流子（离子）在材料中的自由移动，从而导致了电导率的下降（图1）。此外，这种高分子凝胶在吸湿达到平衡后并没有明显的形状和体积变化。

图1. HRIG设计与制备示意图

通过控制环境湿度，与HRIG连接的LED灯可以轻松在明-暗两个状态间切换（图2A）。同时，该研究通过电化学阻抗谱系统地表征了HRIG的湿度响应特性（图2B-G）。比较干燥（40%相对湿度）和潮湿（90%相对湿度）状态下Nyquist图和Bode图可以发现，HRIG在高湿度环境下表现出从导体向绝缘体转变的趋势。在相对湿度超过65%后，本体材料的离子电导率下降了两个数量级，且该过程具有出色的可逆性和重复性。

图2. HRIG电化学特性的表征

基于此，本文还仔细研究讨论了各组分对电化学性能的贡献及相分离过程中微观的结构变化。此外，分子动力学模拟的结果进一步证实了HRIG在高湿度下微相分离的发生及载流子扩散系数的降低（图3）。文章的最后，作者提出了HRIG超级电容器的概念，为读者展示该材料的一种潜在应用。该研究对高分子凝胶中相结构的巧妙设计和深入剖析，为开发下一代智能离子器件提供了新思路。

图3. 水致相分离的分子动力学模拟

以上论文以“Unusual switching of ionic conductivity in ionogels enabled by water-induced phase separation”为题发表于Aggregate 期刊，香港中文大学（深圳）理工学院的博士生姚乐和助理研究员明小庆博士为该论文的共同第一作者，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院张祺助理教授和中科院长春应用化学研究所段晓征副研究员。

通讯作者

张祺，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者。中山大学本科，浙江大学博士，加拿大 McMaster 大学博士后，于2018年3月加入港中深。近年来致力于智能高分子材料、特种胶黏剂等领域的基础与应用研究。迄今已在Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、ACS Macro Lett.、Macromolecules等高分子、材料领域国际核心期刊发表论文60余篇，获授权发明专利12项，入选2021年度“未来化工学者”

段晓征，中国科学院长春应用化学研究所副研究员，入选“吉林省高层次人才”。东北师范大学本科，中科院长春应化所博士，美国密歇根理工大学博士后。近年来致力于离子型软凝聚态体系的前沿基础理论与模拟研究。迄今已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等国际核心期刊发表论文50篇，研究内容涉及高分子科学、电化学、能源光电子学、多酸科学、催化科学、生物物理学等领域。

课题组链接：

https://polysz.cuhk.edu.cn/

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