高强度离子导电凝胶研究进展

近年来,柔性可穿戴电子产品在人机交互、传感器等方面应用越来越广泛。离子导电凝胶具有高导电性、生物相容性、自愈合、良好的机械性能以及对可见光透明度高等特点,力学性能对离子导电凝胶的应用影响较大,通过添加纳米填料、无机盐和有机盐、聚电解质可以提升离子导电凝胶的力学性能。综述了纳米复合离子导电凝胶、盐离子导电凝胶、聚电解质离子导电凝胶的研究进展,对离子导电凝胶在传感器、柔性皮肤、生物医药等领域中的应用以及面临的困难和挑战进行了探讨,并展望了其未来发展方向。

纤维素基导电凝胶的制备及其在电致变色器件中的应用

利用纤维素开发导电凝胶已经成为当前研究的热点。本研究采用聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM)作为聚合物体系,使用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)和二甲基亚砜(DMSO)溶解玉米芯纤维素,以环氧氯丙烷(ECH)为交联剂,制备了纤维素基水凝胶(CL/PVA-PAM-based hydrogel)。此外,测试了纤维素凝胶的晶体结构、形貌特征、力学性能以及凝胶聚合物电解质的离子电导率。发现制备的纤维素基凝胶的晶体结构没有被改变,凝胶的孔隙变小,拉伸强度达到了160 kPa且最大电导率可达到3.17 S/m。经组装后的固态电致变色器件拥有颜色变化响应性和良好的循环稳定性,在制备绿色环保的电致变色器件中显示出较大的应用潜力。

一阶导数光谱法测定导电凝胶中苯酚的含量

目的：建立导电凝胶中苯酚的含量测定方法。方法：采用一阶导数光谱法于（279±1）nm波长处直接测定苯酚的含量。结果：苯酚在25．47～45．85μg·ml^-1浓度范围内，线性关系良好，相关系数r=0．9999，平均回收率99．43％，RSD为0．36％。

导电凝胶型全固态Ag/AgCl参比电极的制备及性能

研制出以固态AgCl^-KCl^-聚乙烯醇-琼脂混合物为导电凝胶的全固态Ag/AgCl参比电极(AllState-Referencr Electrode,简写为ASRE)。将ASRE与pH玻璃电极组成电极组,直接电位法测定pH2.00~12.00磷酸盐缓冲溶液的pH值,与以饱和甘汞电极为参比电极(SCE)的测定结果比较,相对误差为-0.8%^+0.8%;与氯离子选择电极组合测定1.00×10^(-1)~1.00×10^(-4) mol/L NaCl的电池电动势ΔE,-lgc(Cl^-)与ΔE呈良好的线性关系,斜率为-49.3,与以双盐桥SCE为参比电极时的斜率(-49.9)基本一致,表明ASRE能够代替双盐桥SCE运用于Cl^-浓度的测定。在10~80℃范围内,以KNO_3溶液(1.000 mol/L)为模型,测定ASRE相对于SCE的ΔE,ΔE与T呈线性关系,温度系数为0.123mV/℃。ASRE有望代替传统参比电极,应用于离线或在线电化学测定中。

多孔导电凝胶PAM/CNTs-PEG在锌-空气电池中的应用

为实现锌-空气电池工业化生产,优化其空气扩散电极性能,使其有利于气体的扩散,并形成更多的三相界面。导电水凝胶是由导电材料和交联聚合物网络组成,聚合物网络提供支架,而导电材料赋予水凝胶良好的导电性。多孔的结构可以给气体更多的扩散通路,也有利于催化层的负载,形成更多的三相界面。本文采用聚丙烯酰胺基水凝胶,以聚乙二醇-2000(PEG2000)为制孔剂,合成多孔聚丙烯酰胺/碳纳米管-聚乙二醇(PAM/CNTs-PEG)导电水凝胶。将制备的PAM/CNTs-PEG导电水凝胶浸泡于乙醇溶液中,可形成不同数量的介孔。本文研究了不同浸泡时间对于多孔PAM/CNTs-PEG导电水凝胶在柔性锌空电池中的性能影响。实验结果表明:乙醇浸泡5 h的导电凝胶电化学性能最好。当电压从1 mA/cm^(2)时的1.23 V到5 mA/cm^(2)时的1.11 V,仅衰减了0.12 V。8.5 mA/cm^(2)时产生最大功率密度为77.35 mW/cm^(2),且放电时具有1104.85 mA·h/g的高克容量,远高于其他导电凝胶。且有较好的导电性和应变灵敏度,可应用于传感等领域。

柔性MXene/壳聚糖/氧化细菌纤维素气凝胶传感器的制备及性能研究

以氧化细菌纤维素、壳聚糖和MXene为基底材料,通过静电相互作用和京尼平化学交联制备高灵敏、稳定的导电气凝胶。利用SEM观察了气凝胶的微观结构,并通过FT-IR、XPS、XRD等手段表征了气凝胶的化学组成及晶型。最后评价了复合气凝胶的压敏性能和人体传感应用。结果表明气凝胶具有较低的质量,其密度仅为1.202 g/cm^(3);其能在500 ms内实现对外力/自身形变的响应;在一定外力范围内,其电阻值在8 000~2 000Ω区间内变化;气凝胶对人体运动进行响应的同时还能区别出不同的运动状态。

纤维素导电气凝胶及其复合材料在超级电容器中应用的研究进展

概述了纤维素气凝胶通过炭化和复合导电物质实现导电功能的技术手段,及其在超级电容器中的应用研究现状。重点介绍了纤维素导电气凝胶孔结构及其复合结构对超级电容器电化学性能的影响,包括:依据电解液离子大小调控电极材料的孔结构和孔径分布,优化双电层电容行为;借助石墨烯等高导电性物质提高复合材料的导电性和比表面积,实现复合电极材料性能的增强及其在柔性能源储存装置中的应用;结合纤维素炭气凝胶优良的导电性与结构稳定性以及金属化合物高的赝电容和大的能量密度特性,实现复合电极材料中双电层电容和赝电容的协同增效作用。最后针对纤维素导电气凝胶及其复合材料在制备和超级电容器应用中面临的机遇与挑战,指出未来发展方向。

液态金属原位引发制备半互穿网络水凝胶构建低污染电化学传感界面

复杂组分在传感界面的非特异性吸附会严重影响传感器的灵敏度与准确度。虽然构建致密的亲水性抗污涂层能够抑制表面非特异性吸附,但是其绝缘性又会显著增大传感界面阻抗,严重削弱响应电流。因此,如何兼顾传感界面抗污性与导电性,构建灵敏的传感基底是电化学免疫传感器目前急需解决的关键问题。为此,利用镓化铟液态金属(Liquid Metal,LM)原位引发乙烯基吡咯烷酮(N-vinylprrolidone,NVP)聚合,同时利用壳聚糖(Chitosan,CS)与聚乙烯基吡咯烷酮(poly(N-vinylprrolidone),pNVP)之间强烈的氢键结合作用,再分步交联成功获得一种半互穿网络水凝胶传感界面,并以此构建电化学免疫传感器。研究表明,所构建的传感器能够对胃动素实现灵敏检测,线性范围为10 pg/mL~10μg/mL,检测限为6.91 pg/mL(S/N=3),并且在5%的血清样品中检测结果不受影响。此外,所构建的免疫传感器也显示出优异的重复性、稳定性和选择性。以上结果成功证明了基于液态金属纳米复合凝胶作为电化学传感基底的可行性,也为其它电化学免疫传感器的构建提供重要的借鉴意义。

用于人体运动与语音识别的柔性可拉伸摩擦电传感器

为提高可穿戴摩擦电传感器电极的柔性与可拉伸性,设计了一种基于商用水性高分子导电凝胶电极的摩擦电传感器,且在电极一侧表面加工得到微观结构。测试结果表明该传感器具有约100%的伸长率与优异的耐卷曲扭折性。该传感器的电压与电流信号对外界压力具有良好的线性响应,且对传感器的拉伸状态不敏感。当施加外力为50 N时(频率1 Hz),输出峰值电压为109 V,峰值电流为1.3μA;当频率从1.0 Hz变化到3.0 Hz时,峰值电压几乎无变化,峰值电流从0.65μA变化到2.1μA。将该传感器应用于人体运动与语音识别时,电压信号可以对每种动作表现出特异的波形信号,实现了4种动作以及6种礼貌用语的检测与识别,表明其在人体运动与生物特征识别用可穿戴传感器领域具有良好的应用价值。

细菌纤维素增强的低共熔溶剂导电离子凝胶及柔性传感器

针对目前导电离子凝胶传感材料力学性能不足的问题,以甜菜碱(Betaine)、衣康酸(IA)、丙烯酰胺(AM)和细菌纤维素(BC)为原料,开发了一种具有高拉伸强度的导电离子凝胶,并研究了该凝胶的机械力学和传感性能,探索了其在人体运动监测领域的实际应用.结果表明,由于引入BC,导电离子凝胶获得了较强的拉伸强度(689 kPa).同时,该导电离子凝胶可以在230 ms内监测200%范围内的拉伸变形,且具有很好的透明性,在2 mm厚度下,透射率可达87.64%.将该导电离子凝胶贴合在人体皮肤表面,可监测各种人体运动(如手指,手肘,手腕,膝盖等关节弯曲),在智能穿戴及医疗健康领域具有广阔的应用前景.

纤维素离子凝胶的制备及性能

开发高性能的导电凝胶已经成为推动柔性电子设备进一步发展的基石。以天然纤维素为凝胶骨架,以离子液体为导电介质,通过加热溶解-冷却凝胶化过程可以制备高性能的绿色离子液体-纤维素复合凝胶(CGel)。复合凝胶中的纤维素基体呈现三维网络结构,并包含大量的孔洞,可以有效吸附和储存离子液体,实现离子液体在纤维素基体中的均匀分布。纤维素离子复合凝胶具有较高的模量(G′>G″)、优异的透明度(88%)、良好的电学性能(2.2 mS/cm)及柔韧性。进一步通过高温加热-冷却凝胶化过程能够实现纤维素离子凝胶体系的再循环生产过程。纤维素离子凝胶展现了对水分子的高度敏感性,其电导率正比于工作湿度,有望应用于环境湿度及人体皮肤状况的高效监督检测。