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中科院理化所江雷院士团队:基于氢键的高强度、超稳定的透明离子凝胶
2019-12-16  来源:高分子科技

  导电凝胶在柔性电子器件方面表现出良好的潜在应用价值,因而受到了人们的广泛关注。通常,以水为溶剂的导电水凝胶低温时,易结冰;高温时,易失水;此外,水电解质对金属电极具有化学腐蚀性,这些都不利于器件的安全使用。虽然可用有机溶剂代替水来制备有机凝胶以解决水溶剂的结冰失水问题,但有机溶剂的易燃性又带来了新的安全问题。然而,由离子液体和聚合物网络组成的离子凝胶(Ionogels)因其高离子电导率,非挥发性,高热稳定性和(电)化学稳定性、不燃性等独特特性,使其可作为一种安全的凝胶导体材料。但是目前大多数现有离子凝胶的力学性能较差,例如拉伸性小、韧性低等;并且有些离子凝胶在各种环境中不稳定,例如在潮湿环境中发生吸湿。因此,如何设计和制备出机械强度高的稳定透明离子凝胶仍是一大难题。

  针对上述问题,江雷院士团队通过弹性体和离子液体之间的氢键键合,制备了一类新型高透明、高强度和超稳定的离子凝胶。研究发现:聚(丙烯酸乙酯)(PEA)弹性体与双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺([NTf2])类离子液体之间具有良好的相容性,且[NTf2]阴离子与弹性体之间存在强氢键作用。该疏水的离子凝胶显示出超高拉伸性(~ 5000%)、高光学透明性(平均透射率,可见光95%)和超高韧性(~ 4.7 kJ m-2)(如图1所示)。此外,该离子凝胶具有高热稳定性、高电压稳定性、空气稳定性、耐湿性、强自粘性以及对金属电极的不腐蚀等优点。得益于该离子凝胶的优异机械性能和超高稳定性,基于该离子凝胶的传感器可实现在高真空(6×10-4Pa)、低温(-70℃)、高温(100℃)以及99%的相对湿度等恶劣环境条件下的正常运行。更重要的是,鉴于离子液体和聚合物的多样性,这里基于氢键作用制备高性能离子凝胶的策略可扩展到设计和制备新一代多功能性(如自愈性、自增强、发光性及响应性等)高机械强度离子凝胶,而这将极大的拓宽可拉伸透明电子器件的领域。

图1 基于氢键作用的高强度、超稳定的透明离子凝胶。a)[NTf2]阴离子与PEA弹性体之间的氢键作用示意图;b)一个厚度为0.34 mm的离子凝胶在可见光范围内(波长400~800 nm)的透射率;c)离子凝胶在-70℃ ~ 100℃范围内的离子电导率;d)拉伸速率为10 mm min-1时,离子凝胶的拉伸应力应变曲线;e)离子凝胶可以承受打结且高拉伸等机械变形。

  以上研究成果发表在Materials Horizons,2019, DOI:10.1039/C9MH01699F,并被选为封面(Front cover)文章予以重点推介。论文的第一作者为北航博士后曹自权,通讯作者为中科院理化所刘洪亮副研究员。相关工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中科院青年创新促进协会等的大力支持。

  研究团队近期在高性能离子凝胶及其复合物的研究成果还发表在Adv. Mater. 2017, 28, 1704253、Adv. Electro. Mater. 2019, DOI: 10.1002/aelm.201900668、Chin. J. Polym. Sci. 2019, DOI: 10.1007/s10118-020-2357-2、ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 29010以及Adv. Mater. 2016, 28, 7167上。

  论文链接:https://doi.org/10.1039/C9MH01699F

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