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廈門大學許清池/白華/姜源《Small》:常溫常壓下制備具有特定形狀的導電聚合物水凝膠
2024-02-05  來源:高分子科技

  引入多孔結構是實現導電聚合物多項優異性能的重要途徑。然而,導電聚合物具有剛性高分子鏈結構,且不溶解于常見溶劑,因而導致其加工性能往往較差,難以形成多孔結構。在可持續發展的背景下,發展在常溫常壓環境條件下生成導電聚合物多孔結構,仍是有機電子材料制備方向的挑戰之一。


圖1 導電聚合水凝膠的制備工藝(a)及卡通/實物圖(b)


  近期,廈門大學許清池課題組、白華課題組及姜源課題組合作開發了一種自犧牲模板法,能夠在常溫常壓下可控合成具有特定形狀及相應功能的導電聚合物(聚苯胺、聚吡咯)水凝膠(圖1a)。兩步合成過程包括:首先,在金屬陽離子(如鉀離子、鈣離子等)的存在條件下,水合五氧化二釩分散液中的納米線發生物理交聯,從而自發形成水凝膠;之后,將該水凝膠浸泡在苯胺或吡咯的溶液中,原位氧化聚合形成導電聚合物水凝膠。其中,水合五氧化二釩納米線扮演了納米氧化劑和犧牲模板的雙重角色。該制備方法的一個顯著優勢在于方便結合材料加工手段,通過控制水合五氧化二釩分散液與金屬陽離子的不同接觸方式,得到具有特定外觀形狀的納米氧化劑-犧牲模板水凝膠。比如,該方法能夠與鑄造成型技術相結合,制備具有自支撐塊體(3D)和圖案化膜(2D)外觀形狀的水凝膠;也可以與擠出成型技術聯用,合成具有連續纖維(1D)和球體珠粒(0D)外觀形狀的水凝膠(圖1b)。作者分別評估了自支撐塊體水凝膠在超級電容器電極(圖2),圖案化膜水凝膠在對稱交叉指型微型超級電容器(2D)(圖3),連續纖維狀水凝膠在柔性氣體傳感器(1D)(圖4),球體狀水凝膠在染料吸附(0D)(圖5)中的應用,均證實了網絡結構有助于導電聚合物性能得到顯著提升。總之,該項研究提供了一種溫常壓下溫和可控的合成方法,能夠制備具有特定外觀形狀的導電聚合物水凝膠,這為制備基于導電聚合物輕質結構的新興功能設備提供了一種可行的實施方案。


  該工作以“Manipulation of Conducting Polymer Hydrogels with Different Shapes and Related Multifunctionality”為題發表在《Small》上(Small 2024, 2309575。文章第一作者是廈門大學材料學院碩士研究生黃豪碩士(現就讀于南方科技大學材料科學與工程系,博士生導師為何振博士、俞書宏院士)。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、嘉庚創新實驗室、國家重點研發計劃項目、硅材料國家重點實驗室開放課題的支持。 


2 導電聚合物水凝膠自支撐塊體(3D)應用于超級電容器 


導電聚合物水凝膠圖案化膜(2D)應用于微型叉指超級電容器


圖4 導電聚合物連續纖維(1D)應用于氣體傳感器


5導電聚合物球體珠粒(0D)應用于染料吸附


  該工作是合作團隊基于納米氧化劑可控組裝進行導電聚合物介觀結構調控的最新進展之一。2018年起,該合作團隊利用水合五氧化二釩納米線作為犧牲模板和氧化劑,通過介觀結構工程手段分別制備了導電聚合物面內單軸取向薄膜ACS Nano 2018, 12, 12701–12712)、連續/圖案化膜ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 4, 5583–5591)、多層級泡沫Small 2023, 19, 2301493)。特別需要指出的是,本研究工作改良了該合作團隊之前報道的導電聚合物水凝膠制備方法ACS Nano 2018, 12, 5888–5894,通過離子成膠方法預處理水合五氧化二釩分散液,使得導電聚合物水凝膠制備過程更為可控,所獲得的水凝膠結構-性能關系也比直接混合法制備的對應水凝膠更加優異?傊,該合作團隊系統發展了納米氧化劑可控組裝方法,提供了新的合成路線用以制備導電聚合物多層級結構,從而生成了一系列具有優異性能表現的導電聚合物材料。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202309575

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