近期，中山大学化学学院的葛进研究团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》学术期刊上发表了一项研究，该研究介绍了一种创新的热控化学交联策略，成功在离子导电水凝胶中实现了前所未有的力学和电化学稳定性。离子导电水凝胶在软体机器人、柔性储能、电磁屏蔽等多个领域展现出巨大潜力。尽管在过去十年中，离子导电水凝胶在柔性器件领域的重要性日益凸显，但它们仍面临重大挑战，如低离子电导率（通常低于100 mS cm–1）和在长期储存或不同环境条件下易脱水的问题，这些都限制了其在柔性设备中的应用潜力。
在本项研究中，研究团队提出了一种结合Hofmeister效应、polymer-in-salt策略和PVA自交联的热控化学交联方法。通过精确调控PVA在酸性条件下的自交联过程，他们成功制备了一种低滞后效应的离子水凝胶（ECH）。该水凝胶展现了较佳的长期稳定性，在50% RH的环境中存放420天后，仍保持超过210mS cm–1的离子电导率（保留了其初始电导率的58%）。即便在极端干燥的条件下（7% RH）放置3天，该水凝胶依然能够维持超过100 mS cm–1的离子电导率，显示出其在离子电导率和环境稳定性方面的良好表现。得益于ECH优异的离子电导率，它在可拉伸焦耳加热器中显示出一定的应用潜力。研究详细阐述了水凝胶的调控原理、力学和电学性能、宽湿度环境下的性能表现，以及在焦耳热器件中的应用，实验结果如下：
图1.ECH的制备及其稳定性。（a,b）展示了反应机理的示意图。（c-g）描绘了反应1（蓝线）和反应2（红线）的反应动力学。（h）展示了ECH形态随时间变化的图像。（i）呈现了在50% RH下储存的ECH的离子电导率和保水率。
图2.ECH的表征与结构调控。（a）不同合成条件下水凝胶的紫外可见光谱（400 nm）吸收值。（b）在三个不同温度下具有相同吸光度值的两组数据点，分别标记为第1组和第2组。（c）第1组和第2组在80、100和120 °C下的机械性能对比。（d）调控不同温度、反应时间的水凝胶的伸长率与杨氏模量。（e）不同固体含量的伸长率与杨氏模量。（f）适度交联与过度交联的示意图。（g）PVA与ECH之间的红外光谱对比。
图3.ECH水凝胶的平衡特性。（a）ECH高弹性成因的示意图。（b）ECH在不同拉伸速率下的应力应变曲线。（c）离子电导率、弹性、柔软度和稳定性与已报道的水凝胶的比较。（d）拉伸和（e）压缩期间的ECH照片。（f）高速相机捕捉到球落在ECH上的瞬间。（g）ECH应变为300%时的循环拉伸曲线和（h）90%应变时的循环压缩曲线。（i）放置7天和14天后ECH和PAM水凝胶的照片。（j）ECH在50% RH下平衡后的保水率和离子电导率。（k）在50% RH下平衡ECH后的保水性和离子电导率与固体含量的关系。（l）在50% RH下平衡后，ECH在不同反应温度和时间下的保水性和离子电导率。
图4.ECH在宽湿度范围下的性能。（a）不同湿度水平下ECH蒸汽交换示意。（b）在7-97% RH下储存一定时间的ECH的伸长率变化趋势。（c）在各种湿度条件下，在300% RH下储存3天以上，在32.7% RH、52.8% RH、75% RH和97% RH下储存超过24天的水凝胶图像。（d-e）7-97% RH湿度环境下保存的样品进行80%压缩实验结果。（f）不同湿度条件下水凝胶的质量变化趋势。水凝胶在（g）7% RH和（h）97% RH下储存近一个月的离子电导率趋势。
图5.ECH水凝胶焦耳热器件。（a）焦耳热器件示意图。（b）ECH阻抗图。（c）ECH在不同电压下加热的温度变化。（d）ECH温度随不同频率下加热时间的变化。（e）高低离子电导率在相同条件下的加热曲线。（f）不同拉伸状态下ECH的红外照片。（g-j）可保形拉伸的水凝胶焦耳热器件照片。（k）开关上的冰融化的示意图。
总结：他们开发了一种结合Hofmeister效应、polymer-in-salt策略和PVA热自交联的热控化学交联策略，以获得具有高离子电导率的弹性水凝胶。研究结果表明，获得的 ECH 实现了 392 ± 49 mS cm–1的离子电导率，可承受 7%-97% RH 的宽湿度水平。在超过 420 天的储存时间下，其可保持超过 210 mS cm–1的离子电导率。ECH因具有高离子电导率的特殊优势可有效地用作构建焦耳热器件的加热层。所设计的水凝胶焦耳热器件实现了在低外加电压下的高达12 oC的快速加热。该研究工作意味着高性能离子导电水凝胶方面取得一定进展，该水凝胶可用于快速自适应加热设备、可穿戴传感器以及可拉伸储能设备等柔性电子设备。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c12851