清華大學石高全團隊Adv. Mater.：具有任意結構的超高電導率聚合物水凝膠

【引言】

導電聚合物（CP）由于其獨特的共軛鏈式結構和優異的性能而倍受關注。在眾多導電聚合物材料當中，CP水凝膠（CPHs）是一類性能迥異的高分子，同時具備CPs和水凝膠的優點。現有兩種CPH制備方法：i）芳族單體在采用絕緣聚合物基質作為物理框架中的聚合，由于其獨特的絕緣特性，使得CPHs具有較低電導率（0.01~1 S·m^-1）和弱電化學活性；ii）通過添加交聯劑，在聚合過程中交聯CP鏈。但即使固體含量較高，水凝膠的電導率仍然相對較低（11S·m^-1）。此外，這些技術目前還滿足不了不同結構CPHs的制備。

【成果簡介】

近期，清華大學石高全教授課題組通過在0.1mol/L硫酸中熱處理PEDOT:PSS(PH1000)的懸浮液，然后去除其余部分，制備得到PEDOT:PSS水凝膠。該水凝膠具有4%的低固體含量和880S/m的極高導電率，其可塑性良好，可以制備成不同的形狀，從而應用于實際生活當中，例如：可以加工成膜，纖維和任意尺寸的柱。利用干燥的PEDOT:PSS水凝膠纖維，工作人員制備得到了具有高導電性和機械強度的多孔纖維，可用于制備無集電極固態柔性超級電容器。該纖維超級電容器在0.54A/cm³電流密度下，體積電容可高達202F/cm³，且具有優異的倍率性能。此外，該超級電容器還顯示出了優異的電化學穩定性和高靈敏性，有望應用于可穿戴式儲能裝置。該成果以“Ultrahigh-Conductivity Polymer Hydrogels with Arbitrary Structures”為題于2017年5月17日發表在Adv. Mater上。

【圖文導讀】

圖一：不同形貌的PEDOT:PSS水凝膠的形貌及流變性能表征

(a-e)PEDOT:PSS不同的幾何形狀圖，比例尺=1cm；

(f) PEDOT:PSS水凝膠冷凍之前的SEM圖；

(g) PEDOT:PSS水凝膠冷凍之后的SEM圖；

(h) PH1000懸浮液，PH1000-SA懸浮液，PEDOT:PSS水凝膠和AT-水凝膠穩定的流變行為。

圖二：PEDOT:PSS水凝膠及其對照組的光譜測試

(a) 冷凍干燥的PH1000懸浮液，PEDOT：PSS水凝膠和AT水凝膠的拉曼光譜；

(b)冷凍干燥的PH1000懸浮液和PEDOT：PSS水凝膠的ESR光譜；

(c) 1mg/ mL PH1000和1mg /mLPH1000-SA懸浮液的ζ電位分布；

(d)冷凍干燥的PH1000懸浮液，PEDOT：PSS水凝膠和AT-水凝膠的S 2p XPS光譜；

(e)PSSNa和PSS的 IR圖譜，插圖為收集到的固體PSS數字圖片；

(f) 透析的PEDOT：PSS水凝膠和市售PSSNa（Mw = 70 000）的滲透物中收集的PSS的UV-vis光譜。

圖三：酸處理曲線以及與其他文獻對比電導率

(a) AT-水凝膠的固體含量與用于酸處理的H ₂ SO ₄濃度的曲線圖；

(b)AT Hydrogel的電導率與其固體含量的曲線圖，以及AT-水凝膠與與已報道的其他CPHs和碳基水凝膠的電導率比較。

圖四：超級電容器的測試

(a-b) 由AT-水凝膠制備的干纖維的橫截面SEM圖像；

(c)固態纖維超級電容器的說明示意圖；

(d)固態纖維超級電容器的SEM圖像；

(e-f) 纖維超級電容器在不同掃描速率（mV s-1）下的CV曲線和恒流充放電曲線；(g) 纖維超級電容器在0.1-105Hz頻率范圍內的Nyquist圖；

(h) PEDOT：PSS纖維超級電容器與已報道的電容器的體積電容比較；

SWNT代表單壁碳納米管，CNT代表碳納米管，N-rGO代表氮摻雜還原石墨烯氧化物，CMC代表羧甲基纖維素鈉和CF代表碳纖維；

(i)在11 A cm -3的電流密度下，纖維超級電容器的比電容-循環曲線（10000次循環）；

(f)不同彎曲程度下，纖維超級電容器的柔性測試。

【小結】

通過在酸性介質中凝膠化PH1000懸浮液，研究人員成功制備了具有880S /m高導電性的PEDOT：PSS水凝膠（AT-水凝膠）。該水凝膠具備獨特的多孔結構和優異的機械和電學性質，主要歸因于PH100的絕緣PSS組分的部分去除和PEDOT鏈的共軛長度的伸長。通過該項技術，可以實現不同結構的AT-水凝膠的制備，從而用于現實生活之中。此外，利用AT-水凝膠制作的干纖維作為電極，構建全固態纖維超級電容器，該超級電容器表現出了優異的電化學性能，優于先前報道中的所提及的材料。

文獻鏈接：Ultrahigh-Conductivity Polymer Hydrogels with rbitrary Structures(Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201700974)

本文由材料人編輯部陶娜編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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