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河南大學(xué)姚晰教授團(tuán)隊(duì):基于低共熔溶劑(DES)的離子導(dǎo)電凝膠
2021-10-14  來(lái)源:高分子科技

  由于具備優(yōu)異的柔性以及生物相容性,水凝膠離子導(dǎo)體在可拉伸柔性電子、軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而,暴露在空氣中因失水引起的性能受損、低溫下水結(jié)晶導(dǎo)致的柔性喪失以及水凝膠與金屬電極接觸界面受到水腐蝕等現(xiàn)象,極大地限制了水凝膠的實(shí)際應(yīng)用。為了改進(jìn)上述不足,科研工作者開發(fā)出了以離子液體為溶劑的離子凝膠,其對(duì)金屬電極無(wú)腐蝕且溶劑不揮發(fā),但成本高、毒性大;谝陨涎芯浚_發(fā)兼具優(yōu)異的環(huán)境和化學(xué)穩(wěn)定性以及低成本、低毒性的離子導(dǎo)體非常有必要。


  DES是一種低共熔混合物,其凝固點(diǎn)顯著低于各個(gè)組分純物質(zhì)的熔點(diǎn)。一些DES具備離子液體的基本性質(zhì),更重要的是其低成本、低毒性,成為傳統(tǒng)離子液體的替代品。基于DES的優(yōu)異性能,河南大學(xué)姚晰團(tuán)隊(duì)和鞠婕團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種新型的具備環(huán)境和化學(xué)穩(wěn)定性的耐低溫DES離子導(dǎo)體,其在低溫柔性可拉伸發(fā)光器件中展現(xiàn)出了應(yīng)用前景。相關(guān)成果近日以“Ionic conductive gels based on deep eutectic solvents”為題,發(fā)表在International Journal of SmartandNano Materials上。


  工作中利用丙二醇(PG)和多種金屬鹽制得DES溶劑。如圖1a所示,PG打破了金屬離子與氯離子之間的靜態(tài)相互作用,形成了基于新的氫鍵結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇。隨后以DES為溶劑,甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)為單體,聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)為交聯(lián)劑,制得了DES凝膠(圖1b),該凝膠在低溫下仍保持良好的柔性、導(dǎo)電性以及可拉伸性(圖1c-e)。


圖1:(a)DES分子結(jié)構(gòu)示意圖;(b)DES凝膠的制備;(c)DES凝膠的室溫和低溫柔性展示;(d)DES凝膠的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線;(e)DES凝膠具有低溫可拉伸性。


  相比于傳統(tǒng)的水凝膠,制得的DES凝膠具備優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。DES凝膠的抗干燥性能通過(guò)監(jiān)測(cè)凝膠質(zhì)量損失進(jìn)行表征。在開放的環(huán)境中儲(chǔ)存七天,DES凝膠仍可保持其初始重量的90%和尺寸穩(wěn)定性(圖2a-e)。相反,水凝膠的重量持續(xù)下降,尺寸明顯減。▓D2g-j)。此外,DES凝膠在開放空氣中儲(chǔ)存七天后導(dǎo)電性基本保持不變(圖2k),進(jìn)一步證實(shí)了DES凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性。


圖2:各種DES凝膠和PAAm-MCln-y水凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性。


  水凝膠離子導(dǎo)體中的溶劑水通常會(huì)腐蝕金屬電極界面,這嚴(yán)重破壞了其在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。DES是非水溶劑,因此制得的DES凝膠能夠保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性,特別是抗金屬腐蝕性。為了驗(yàn)證DES凝膠的抗金屬腐蝕性能,研究人員將DES凝膠與銅片接觸,并放置在開放空氣中七天,發(fā)現(xiàn)DES凝膠能夠保持尺寸穩(wěn)定性和光學(xué)透明度,并且銅片也并未發(fā)生腐蝕(圖3a-d)。然而,水凝膠在密閉空間(用于保水)中儲(chǔ)存七天后卻對(duì)銅片產(chǎn)生了嚴(yán)重腐蝕(圖3e-h)。為了進(jìn)一步量化DES凝膠和PAAm-MCln-y水凝膠的耐腐蝕性能,研究人員又進(jìn)行了恒電位極化實(shí)驗(yàn)(圖3i)。結(jié)果顯示,相比于水凝膠,DES凝膠具備優(yōu)異的耐腐蝕性。以上結(jié)果表明,DES凝膠具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,這對(duì)其在柔性電子領(lǐng)域中的應(yīng)用至關(guān)重要。


圖3:各種DES凝膠和PAAm-MCln-y水凝膠的化學(xué)穩(wěn)定性。


  研究人員展示了DES凝膠在可拉伸柔性電致發(fā)光器件中的應(yīng)用(圖4)。電致發(fā)光器件以DES凝膠作為電極,有助于將DES凝膠的離子導(dǎo)電性、低溫柔性和可拉伸性以及環(huán)境和化學(xué)穩(wěn)定集成到一個(gè)器件中,這將會(huì)拓寬可穿戴電子產(chǎn)品在醫(yī)療保健和戶外活動(dòng)中的應(yīng)用。


圖4:基于DES凝膠的柔性可拉伸電致發(fā)光器件在室溫和低溫下的應(yīng)用。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1080/19475411.2021.1972053


招聘信息


  姚晰教授課題組(仿生特種功能材料)

  姚晰,教授,河南大學(xué),特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。從事仿生特種凝膠材料的制備與應(yīng)用研究。開展了油凝膠材料的防結(jié)冰、防結(jié)蠟,水凝膠表面超疏水和光響應(yīng)浸潤(rùn)性改性,隨后開展了水凝膠新型涂層策略的研究及其在醫(yī)療、航海等領(lǐng)域的應(yīng)用。主要研究方向:(1)水凝膠涂層材料力學(xué)增強(qiáng)策略和機(jī)理研究;(2)仿生水凝膠涂層的開發(fā)應(yīng)用;(3)特種凝膠防冰機(jī)理研究。課題組長(zhǎng)期招聘青年教師。高分子、有機(jī)、物理化學(xué)、材料等背景均受歡迎。E-mail:yaoxi@henu.edu.cn


  鞠婕教授課題組(仿生特殊浸潤(rùn)性表界面材料)

  鞠婕,教授,河南大學(xué),特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。主攻仿生特殊浸潤(rùn)性表界面材料對(duì)具有微小尺寸的氣體、液體、固體及細(xì)胞的定向傳輸及分離。迄今,在PNAS, Nat. Commun.,Sci. Adv.,Adv. Mater.,Adv. Funct. Mater.,ACS Nano及Acc. Chem. Res.等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文30余篇,被引>4000次。長(zhǎng)期招聘具有材料表界面、物理化學(xué)、高分子化學(xué)研究基礎(chǔ),以及具有細(xì)胞培養(yǎng)技能或具有一定生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)的青年教師。Email: jujie@henu.edu.cn


  應(yīng)聘方式:應(yīng)聘者以電子郵件方式提交個(gè)人簡(jiǎn)歷即可。申請(qǐng)不受時(shí)間限制,本招聘啟事長(zhǎng)期有效。實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站:http://lab.henu.edu.cn/index.htm。

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