清华大学石高全团队Adv. Mater.：具有任意结构的超高电导率聚合物水凝胶

【引言】

导电聚合物（CP）由于其独特的共轭链式结构和优异的性能而倍受关注。在众多导电聚合物材料当中，CP水凝胶（CPHs）是一类性能迥异的高分子，同时具备CPs和水凝胶的优点。现有两种CPH制备方法：i）芳族单体在采用绝缘聚合物基质作为物理框架中的聚合，由于其独特的绝缘特性，使得CPHs具有较低电导率（0.01~1 S·m^-1）和弱电化学活性；ii）通过添加交联剂，在聚合过程中交联CP链。但即使固体含量较高，水凝胶的电导率仍然相对较低（11S·m^-1）。此外，这些技术目前还满足不了不同结构CPHs的制备。

【成果简介】

近期，清华大学石高全教授课题组通过在0.1mol/L硫酸中热处理PEDOT:PSS(PH1000)的悬浮液，然后去除其余部分，制备得到PEDOT:PSS水凝胶。该水凝胶具有4%的低固体含量和880S/m的极高导电率，其可塑性良好，可以制备成不同的形状，从而应用于实际生活当中，例如：可以加工成膜，纤维和任意尺寸的柱。利用干燥的PEDOT:PSS水凝胶纤维，工作人员制备得到了具有高导电性和机械强度的多孔纤维，可用于制备无集电极固态柔性超级电容器。该纤维超级电容器在0.54A/cm³电流密度下，体积电容可高达202F/cm³，且具有优异的倍率性能。此外，该超级电容器还显示出了优异的电化学稳定性和高灵敏性，有望应用于可穿戴式储能装置。该成果以“Ultrahigh-Conductivity Polymer Hydrogels with Arbitrary Structures”为题于2017年5月17日发表在Adv. Mater上。

【图文导读】

图一：不同形貌的PEDOT:PSS水凝胶的形貌及流变性能表征

(a-e)PEDOT:PSS不同的几何形状图，比例尺=1cm；

(f) PEDOT:PSS水凝胶冷冻之前的SEM图；

(g) PEDOT:PSS水凝胶冷冻之后的SEM图；

(h) PH1000悬浮液，PH1000-SA悬浮液，PEDOT:PSS水凝胶和AT-水凝胶稳定的流变行为。

图二：PEDOT:PSS水凝胶及其对照组的光谱测试

(a) 冷冻干燥的PH1000悬浮液，PEDOT：PSS水凝胶和AT水凝胶的拉曼光谱；

(b)冷冻干燥的PH1000悬浮液和PEDOT：PSS水凝胶的ESR光谱；

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

(d)冷冻干燥的PH1000悬浮液，PEDOT：PSS水凝胶和AT-水凝胶的S 2p XPS光谱；

(e)PSSNa和PSS的 IR图谱，插图为收集到的固体PSS数字图片；

(f) 透析的PEDOT：PSS水凝胶和市售PSSNa（Mw = 70 000）的渗透物中收集的PSS的UV-vis光谱。

图三：酸处理曲线以及与其他文献对比电导率

(a) AT-水凝胶的固体含量与用于酸处理的H₂SO₄浓度的曲线图；

(b)AT Hydrogel的电导率与其固体含量的曲线图，以及AT-水凝胶与与已报道的其他CPHs和碳基水凝胶的电导率比较。

图四：超级电容器的测试

(a-b) 由AT-水凝胶制备的干纤维的横截面SEM图像；

(c)固态纤维超级电容器的说明示意图；

(d)固态纤维超级电容器的SEM图像；

(e-f) 纤维超级电容器在不同扫描速率（mV s-1）下的CV曲线和恒流充放电曲线；(g) 纤维超级电容器在0.1-105Hz频率范围内的Nyquist图；

(h) PEDOT：PSS纤维超级电容器与已报道的电容器的体积电容比较；

SWNT代表单壁碳纳米管，CNT代表碳纳米管，N-rGO代表氮掺杂还原石墨烯氧化物，CMC代表羧甲基纤维素钠和CF代表碳纤维；

(i)在11 A cm -3的电流密度下，纤维超级电容器的比电容-循环曲线（10000次循环）；

(f)不同弯曲程度下，纤维超级电容器的柔性测试。

【小结】

通过在酸性介质中凝胶化PH1000悬浮液，研究人员成功制备了具有880S /m高导电性的PEDOT：PSS水凝胶（AT-水凝胶）。该水凝胶具备独特的多孔结构和优异的机械和电学性质，主要归因于PH100的绝缘PSS组分的部分去除和PEDOT链的共轭长度的伸长。通过该项技术，可以实现不同结构的AT-水凝胶的制备，从而用于现实生活之中。此外，利用AT-水凝胶制作的干纤维作为电极，构建全固态纤维超级电容器，该超级电容器表现出了优异的电化学性能，优于先前报道中的所提及的材料。

文献链接：Ultrahigh-Conductivity Polymer Hydrogels with rbitrary Structures(Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201700974)

本文由材料人编辑部陶娜编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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