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河南大学姚晰教授团队:基于低共熔溶剂(DES)

发表于:2022-06-27 12:16:55

  由于具备优异的柔性以及生物相容性,水凝胶离子导体在可拉伸柔性电子、软体机器人、生物医学工程等领域具有重要应用。然而,暴露在空气中因失水引起的性能受损、低温下水结晶导致的柔性丧失以及水凝胶与金属电极接触界面受到水腐蚀等现象,极大地限制了水凝胶的实际应用。为了改进上述不足,科研工作者开发出了以离子液体为溶剂的离子凝胶,其对金属电极无腐蚀且溶剂不挥发,但成本高、毒性大。基于以上研究,开发兼具优异的环境和化学稳定性以及低成本、低毒性的离子导体非常有必要。


  DES是一种低共熔混合物,其凝固点显著低于各个组分纯物质的熔点。一些DES具备离子液体的基本性质,更重要的是其低成本、低毒性,成为传统离子液体的替代品。基于DES的优异性能,河南大学姚晰团队和鞠婕团队合作开发了一种新型的具备环境和化学稳定性的耐低温DES离子导体,其在低温柔性可拉伸发光器件中展现出了应用前景。相关成果近日以“Ionic conductive gels based on deep eutectic solvents”为题,发表在International Journal of SmartandNano Materials上。


  工作中利用丙二醇(PG)和多种金属盐制得DES溶剂。如图1a所示,PG打破了金属离子与氯离子之间的静态相互作用,形成了基于新的氢键结构的团簇。随后以DES为溶剂,甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为单体,聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为交联剂,制得了DES凝胶(图1b),该凝胶在低温下仍保持良好的柔性、导电性以及可拉伸性(图1c-e)。


河南大学姚晰教授团队:基于低共熔溶剂(DES)

图1:(a)DES分子结构示意图;(b)DES凝胶的制备;(c)DES凝胶的室温和低温柔性展示;(d)DES凝胶的电导率随温度的变化曲线;(e)DES凝胶具有低温可拉伸性。


  相比于传统的水凝胶,制得的DES凝胶具备优异的环境稳定性。DES凝胶的抗干燥性能通过监测凝胶质量损失进行表征。在开放的环境中储存七天,DES凝胶仍可保持其初始重量的90%和尺寸稳定性(图2a-e)。相反,水凝胶的重量持续下降,尺寸明显减小(图2g-j)。此外,DES凝胶在开放空气中储存七天后导电性基本保持不变(图2k),进一步证实了DES凝胶的环境稳定性。


河南大学姚晰教授团队:基于低共熔溶剂(DES)

图2:各种DES凝胶和PAAm-MCln-y水凝胶的环境稳定性。


  水凝胶离子导体中的溶剂水通常会腐蚀金属电极界面,这严重破坏了其在电子领域中的应用。DES是非水溶剂,因此制得的DES凝胶能够保持良好的化学稳定性,特别是抗金属腐蚀性。为了验证DES凝胶的抗金属腐蚀性能,研究人员将DES凝胶与铜片接触,并放置在开放空气中七天,发现DES凝胶能够保持尺寸稳定性和光学透明度,并且铜片也并未发生腐蚀(图3a-d)。然而,水凝胶在密闭空间(用于保水)中储存七天后却对铜片产生了严重腐蚀(图3e-h)。为了进一步量化DES凝胶和PAAm-MCln-y水凝胶的耐腐蚀性能,研究人员又进行了恒电位极化实验(图3i)。结果显示,相比于水凝胶,DES凝胶具备优异的耐腐蚀性。以上结果表明,DES凝胶具有良好的化学稳定性,这对其在柔性电子领域中的应用至关重要。


河南大学姚晰教授团队:基于低共熔溶剂(DES)

图3:各种DES凝胶和PAAm-MCln-y水凝胶的化学稳定性。


  研究人员展示了DES凝胶在可拉伸柔性电致发光器件中的应用(图4)。电致发光器件以DES凝胶作为电极,有助于将DES凝胶的离子导电性、低温柔性和可拉伸性以及环境和化学稳定集成到一个器件中,这将会拓宽可穿戴电子产品在医疗保健和户外活动中的应用。


河南大学姚晰教授团队:基于低共熔溶剂(DES)

图4:基于DES凝胶的柔性可拉伸电致发光器件在室温和低温下的应用。


  文章链接:https://doi.org/10.1080/19475411.2021.1972053


招聘信息


  姚晰教授课题组(仿生特种功能材料)

  姚晰,教授,河南大学,特种功能材料教育部重点实验室。从事仿生特种凝胶材料的制备与应用研究。开展了油凝胶材料的防结冰、防结蜡,水凝胶表面超疏水和光响应浸润性改性,随后开展了水凝胶新型涂层策略的研究及其在医疗、航海等领域的应用。主要研究方向:(1)水凝胶涂层材料力学增强策略和机理研究;(2)仿生水凝胶涂层的开发应用;(3)特种凝胶防冰机理研究。课题组长期招聘青年教师。高分子、有机、物理化学、材料等背景均受欢迎。E-mail:yaoxi@henu.edu.cn


  鞠婕教授课题组(仿生特殊浸润性表界面材料)