韩布兴：性能优异的“点击”离子液体凝胶

来源：科学通报

随着柔性储能、制动和传感器件的迅速发展, 作为柔性电子器件中的重要组成部分, 可拉伸导电材料引起了人们的广泛关注。当前的可拉伸导电材料主要包含导电聚合物、有机/无机复合物、准固态导电水凝胶3大类。其中准固态导电水凝胶兼具较高的电导率和较小的界面电阻等优点, 在柔性器件方面表现出良好的潜在应用价值。但水凝胶以水作为溶剂, 低温易结冰, 高温易失水, 这些缺陷极大地限制了水凝胶的使用温度范围。虽然近年来已有用有机溶剂代替水制备有机凝胶以解决水凝胶结冰失水的问题, 但易燃有机溶剂的引入, 又带来了器件安全性的问题。因而, 如何制备耐低温、耐高温且安全的导电凝胶一直是柔性导电材料领域中的重点和难点。

苏州大学严锋教授多年来一直从事(聚)离子液体功能性材料方面的研究。在基于(聚)离子液体的功能性电解质、离子交换膜、智能响应性材料和抗菌材料等方面取得了一系列的重要进展。离子液体完全由阴、阳离子组成, 具有不挥发、凝固点可调节、电导率高、电化学窗口宽、不易燃、热稳定性好等独特的物理化学性质。基于这些特性, 最近严锋课题组[1]以离子液体作为溶剂, 通过点击化学反应和溶剂替代法制备了“点击”离子液体凝胶, 并对其在不同温度下的力学性能、电化学性能等进行了系统性的研究, 相关论文以“Ionic liquid-based click-ionogels”为题发表在Science Advances。

他们在常温下制备的离子凝胶具备较好的力学性能。在受到较大形变后, 撤消外力即可快速恢复, 并且在1万次循环压缩后, 并未出现明显的信号偏移和损伤, 表明该离子凝胶具有较好的抗疲劳性能。图1为离子凝胶的热稳定性测试结果, 离子液体凝胶在250℃下保温120 h, 仍未观测到明显的热失重; 直至加热到343℃后才出现部分降解。其中离子液体和聚合物较好的热稳定性为离子凝胶在高温下的稳定性提供了基本保障。此外, 离子液体与聚合物链间的氢键相互作用, 可解决由于温度升高分子热运动加剧而引起的溶剂分子从聚合物网络中析出的问题, 从而进一步保证了离子凝胶在高温下的稳定性。

图1 离子凝胶的热稳定性测试。(A, B) 不同温度下离子凝胶的拉伸和压缩性能; (C) 离子凝胶和水凝胶分别在250和50℃下保温120 h的热失重曲线; (D) 离子凝胶和水凝胶的热分解曲线

总之, 以离子液体为溶剂通过点击化学制备的离子液体凝胶在-75~340℃温度范围内均具有较好的力学性能。后续将其制备成的柔性可拉伸纳米摩擦发电机, 在低温、高温、拉伸、卷曲等极端条件下均表现出较好的摩擦电效应。这类离子液体凝胶对极限条件下可拉伸导电柔性器件的研究和应用有重要的参考价值。

参考文献

1 Ren Y, Guo J, Liu Z, et al. Ionic liquid–based click-ionogels. Sci Adv, 2019, 5: eaax0648