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神奇的水凝膠：2021最新研究進展！

來源：測試GO 時間：2021-12-09 23:07:08 瀏覽：5861次

引言

水凝膠是一種網狀結構的親水性聚合物材料，親水性聚合物鏈通過交聯可形成三維固體，水則充當擴散介質。水凝膠材料具有極高的吸水性，可以溶脹和保有大量的水，水的吸收量與交聯度密切相關。交聯度越高，吸水量越低，其水含量可以低到百分之幾，也可以高達99%。水凝膠材料的質地通常很軟且強度不夠，但是通過定向設計，可以使其具備很高的韌性。除此之外，水凝膠具有極好的機械性能、生物相容性和離子傳輸等能力，被廣泛運用于環保、傳感、醫療和能源等行業。

01

Nature Communications：PbCdSe量子點凝膠中原子級分散的Pb離子位點增強了室溫NO₂傳感

大氣中的NO₂被視為一種對人類身體健康不利的氣體組分，短時間內接觸高濃度的NO₂會刺激人體呼吸系統，引發咳嗽、喘息、呼吸困難等呼吸窘迫癥狀，如果長時間接觸數十ppb級的NO₂甚至會引發哮喘。另外，NO₂還會導致環境問題，例如酸雨、大氣霧霾和營養物污染等。目前，檢測ppb級NO₂通常利用化學發光法實現，但化學發光分析儀價格昂貴且不方便進行實時和現場測量，而且現有的低成本商業NO₂傳感器仍然不能提供真實環境中的可靠ppb級檢測。因此，亟需開發能夠在ppb范圍內具有快速和可靠的廉價NO₂傳感器。

金屬硫化物量子點 (QD) 凝膠具有微晶尺寸小（高表面積與體積比）、三維介孔結構（快速氣體擴散）、連接網絡（促進電子通信）和豐富的化學物質（易于表面改性）等特點，被視為一種有希望的氣體傳感器候選材料。此外，凝膠化過程具有額外的優勢，可部分或完全從顆粒表面剝離有機配體，從而顯著增加氣體分子結合的活性表面位點，提高傳感性能。

基于此，韋恩州立大學的Stephanie L. Brock、羅龍和清華大學張亮等人合作開發了一種原子級分散的Pb_xCd_{1? x}Se QD凝膠材料并用于NO₂氣體傳感（圖1）^[^1]。研究結果表明，含有原子級分散 Pb 離子位點的雙金屬PbCdSe QD凝膠實現了強傳感器響應和快速恢復的最佳組合。與基于p型半導體的室溫NO₂氣體傳感器相比，PbCdSe QD凝膠具有更低的檢測限、更高的靈敏度和穩定性、快速響應和恢復特性（圖2）。DFT計算表明PbCdSe QD凝膠的高性能源于Pb離子位點可以將電子密度轉移到鄰近的Cd離子，使它們成為NO₂更好的電子給體，從而增強傳感響應。

圖1 PbxCd1? xSe QD凝膠材料的合成與表征

圖2 PbxCd1? xSe QD凝膠材料室溫氣敏性能

02

Advanced Functional Materials: 用于實時、可逆和可持續光書寫的多級響應水凝膠材料

隨著 5G 技術的快速發展，智能材料和設備正在通過物聯網改變我們的生活。然而聯網及相應設備的發展將涉及大量的電子產品，它們的短周轉率正在全球范圍內導致電子垃圾的快速增長和嚴重的生態挑戰。

由于可生物降解和瞬態系統分別表現出有限的性能和潛在的環境污染，賦予智能設備可逆響應能力和長使用壽命是一個有吸引力的策略。例如，可寫材料作為智能控制、信息安全保護和防偽等方面的重要一環，其擦除和改寫的實現通常需要特殊的條件（如溴化氫、尿素溶液），沒有實時響應能力，這極大地限制了它們的實際應用，因此如何在溫和條件下設計具有實時、可逆和可持續書寫能力的材料仍然是一個巨大的挑戰。

基于此，四川大學的張新星和張楚虹等人報道了一種基于逐階段良好組織的響應行為（包括光熱轉換、溫度相關極性轉變和相應的熒光響應）的多級響應水凝膠材料，用于實時、可逆和可持續的光寫入（圖3）^[^2]。作者采用超聲共聚合法制備了光熱液態金屬納米顆粒功能殼核微球和構建了熱響應型聚（n -異丙基丙烯酰胺）凝膠網絡，其中刺激通過完全可逆的“光-熱-熒光”途徑實現，同時基于羅丹明B的顯著極性相關熒光行為，獲得的智能水凝膠可以很容易地手寫和識別。所制備的材料可通過手控近紅外激光在5 s內無污染寫入，20 s內自發擦除，具有優異的重寫能力（5000次以上，色度坐標方差<0.0008）（圖4）。

圖3 多級響應材料的層次結構設計及相應的水凝膠分子結構設計

圖4 所得水凝膠的寫入、擦除和改寫能力

03

Advanced Energy Materials：水凝膠電解質用于高性能Zn/MnO₂電池

水性鋅離子電池 (ZIB) 具有資源豐富，價格低廉、易于制造，固有安全和環境友好等特性，在可穿戴柔性儲能器件上有著顯著的應用前景。與其他具有水性電解質的多價金屬（Ca、Mg、Al）電池相比，ZIBs 已成功地改性為更可逆和更穩定的電池。ZIB的MnO₂電極材料傾向于在傳統的天然水性電解質中進行單電子氧化還原（Mn⁴⁺到Mn³⁺），這導致理論容量受限（308 mA hg^-1）。使用高酸性電解液有助于提高Zn/MnO₂系統的質子和電子動力學，從而提高容量和循環性能以及實現電化學裝置能量密度的最大化。然而，這會存在一個明顯的缺點，即液體電解質中H⁺的快速遷移能力所產生的酸性會導致鋅負極的劇烈腐蝕和系統的結構崩潰。

基于此，澳門大學洪果和南京大學姚亞剛合作提出了一種關于在水凝膠電解質中精確質子重新分布的新想法，用于優選的雙電子氧化還原反應^[^3]。具體而言，水凝膠電解質包括 “酸性區”（A區）、弱堿性“緩沖區”（B區）和中性“保護區”（C區），定義為A /B/C水凝膠（ABC-H）電解質。其中，A區提供足夠的H⁺以支持MnO₂陰極處的雙電子氧化還原；B區作為隔離H⁺的緩沖區并防止傳輸到陽極；C區將堿性層與鋅陽極隔開，以避免枝晶生長（圖5）。

這種電池在 0.05 A g^-1時的比容量為516 mAh g^-1，并且在5 A g^-1下5000次循環的容量保持率為93.18%。更重要的是，使用三層電解質的纖維狀Zn/MnO₂電池可以維持2000次循環，在1 A g^-1時具有235 mAh g^-1的高初始容量，180°折疊6000次后仍可保持99.54%的容量。

圖5 基于ABC-H水凝膠的Zn/MnO2電池

圖6 基于ABC-H水凝膠的Zn/MnO2電池的電化學性能

04

Chemical Engineering Journal：用于柔性電子產品的高強度、高導電有機水凝膠纖維

水凝膠的基質是由聚合物組成的三維網絡，水在三維網絡中可以自由移動。由聚合物的交聯密度決定的三維網絡控制著水凝膠孔隙的大小，聚合物的交聯密度越低，孔徑越大，水轉移阻力降低，負載的離子轉移阻力也變小，水凝膠的導電性也會越高，但是相應的機械強度就會下降。

然而，在實際應用中，水凝膠必須保持一定的機械強度，使其在拉伸、彎曲、壓縮等人體運動過程中不被破壞。此外，另一個重要的考慮因素是水凝膠是否能夠足夠快地傳輸電信號。因此，同時具備高強度、高拉伸和高導電性是水凝膠材料廣泛應用的前提。

基于此，四川大學的冉蓉提出了一種將羥乙基纖維素 (HEC) 嵌入聚乙烯醇 (PVA) 水凝膠中以形成可吸附離子大孔的方法^[^4]。研究結果表明，將HEC復合成PVA水凝膠后再浸泡在不同鹽離子水溶液中形成PHHS水凝膠，制得的水凝膠電導率可達5.77 S/m，應變為400.30%時強度可達2.86 MPa。

進一步將水凝膠浸泡在氯化鈉甘油水溶液中，通過調節水凝膠的孔徑和強度，以制備在-30和65°C下具有高強度和高導電性的PVA-HEC有機水凝膠纖維（PHOH），從而適應不同人體運動的要求（圖7）。

為滿足未來多傳感器的需求，作者在系統中加入了溫敏顆粒來制備凝膠纖維作為編織的溫敏導電材料。同時，作者進一步使用PHOH制備了綠色能源摩擦納米發電機（圖8）。這一策略將有利于柔性電子材料的自供電、小型化和智能化。

圖7 有機水凝膠的抗凍、抗干燥、導電和機械性能

圖8 PHOH綠色能源摩擦納米發電機

參考文獻：

[1] Xin Geng, et al. Atomically dispersed Pb ionic sites in PbCdSe quantum dot gels enhance room-temperature NO₂sensing, Nature Communications, 2021, 12, 4895.

[2] Jize Liu, et al. Multistage Responsive Materials for Real-time, Reversible, and Sustainable Light-Writing, Advanced Functional Materials, 2021, 2106673.

[3] Zhaoxi Shen, et al. Precise Proton Redistribution for Two-Electron Redox in Aqueous Zinc/Manganese Dioxide Batteries, Advanced Energy Materials, 2021, 2102055.

[4] Xiangdong Wang, et al. High-strength, highly conductive and woven organic hydrogel fibers for ?exible electronics, Chemical Engineering Journal, 2022, 428, 131172.

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