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  西安交通大學(xué)理學(xué)院丁書江教授與航天學(xué)院盧同慶教授合作團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種疏水、耐溫性離子導(dǎo)體軟材料，該材料體系采用不溶于水的離子液體和疏水性的聚合物網(wǎng)絡(luò)制備，具有獨(dú)特的疏水性，對濕度不敏感，工作溫度范圍寬（超過100°C且覆蓋人們?nèi)粘Ｉ顪囟鹊姆秶叩碾x子電導(dǎo)率（10^-3~10^-5  S / cm），出色的可拉伸性和高透明性，具有絕佳的綜合性能，可以作為離子器件的理想候選材料。該工作以題目為“Highly Stretchable and Transparent Ionic Conductor with Novel Hydrophobicity and Extreme Temperature Tolerance”發(fā)表在Research上(Research, 2020, 2505619, DOI: 10.34133/2020/2505619)。

  近年來，高度可拉伸、透明的離子導(dǎo)體材料促成了新型離子器件的研究熱潮。人們利用離子導(dǎo)體材料已實(shí)現(xiàn)了新的柔性器件，包括透明的電活性致動(dòng)器，可拉伸的觸摸面板，可拉伸的電致發(fā)光器件，離子傳感器，離子電纜等等。然而，現(xiàn)有的離子導(dǎo)電材料幾乎不能承受人們?nèi)粘Ｉ钪械臐穸群蜏囟茸兓@極大地阻礙了離子電子學(xué)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

  水凝膠離子導(dǎo)體暴露在環(huán)境中會導(dǎo)致水分蒸發(fā)，特別是在低濕度和高溫下，其蒸發(fā)更為明顯。伴隨水分的損失，水凝膠離子導(dǎo)體的透明性、拉伸性和導(dǎo)電性急劇下降。此外，水凝膠離子導(dǎo)體的工作溫度范圍受到水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)的限制。

  離子凝膠可以克服水凝膠的這些不足，具有極低蒸氣壓，寬的工作溫度范圍和寬的電化學(xué)窗口等獨(dú)特優(yōu)勢。但是，大多數(shù)現(xiàn)有的離子凝膠也對濕度敏感，因?yàn)殡x子液體容易吸收空氣中的水分，特別是在高濕度的環(huán)境中，這會導(dǎo)致離子凝膠的溶脹且性能下降。另一方面，現(xiàn)有的疏水或空氣穩(wěn)定的離子凝膠幾乎不具有良好的機(jī)械性能或光學(xué)透明性或極高的溫度穩(wěn)定性。

  因此，設(shè)計(jì)一種具有對空氣濕度穩(wěn)定、耐受高低溫環(huán)境且具有良好透明性的離子導(dǎo)體軟材料非常重要。

  西安交通大學(xué)理學(xué)院丁書江教授與航天學(xué)院盧同慶教授合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種疏水、耐溫性離子導(dǎo)體軟材料，該材料體系采用不溶于水的離子液體和疏水性的聚合物網(wǎng)絡(luò)制備。圖1展示了該材料的設(shè)計(jì)思路和材料的實(shí)物照片，顯示出材料具有優(yōu)異的透明性和拉伸性。

圖1  疏水離子凝膠的設(shè)計(jì)

  測試結(jié)果表明，該材料具有良好的力學(xué)拉伸行、透明性以及離子導(dǎo)電性（圖2）。其中，20％，40％，60％和80％代表樣品的聚合物含量。線性掃描伏安法（LSV）曲線表明疏水離子凝膠顯示出超過3.5 V的高分解電壓。疏水離子凝膠的差示掃描量熱法（DSC）曲線表明它們具有非常低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），表明其低溫耐受性。而疏水離子凝膠的熱重曲線，顯示分解溫度超過300 ℃，表明具有極高的熱穩(wěn)定性。

圖2  疏水離子凝膠的基礎(chǔ)性能

  此外，在各種測試溫度下測量了疏水離子凝膠的電性能。圖3（a）顯示了在不同溫度下阻抗與頻率的關(guān)系曲線。隨著溫度升高，曲線顯示出離子導(dǎo)體的典型特征。電容與頻率的關(guān)系曲線顯示出相似的變化趨勢。如圖3（b）所示，當(dāng)溫度從75°C降至-75°C時(shí)，電容在整個(gè)頻率范圍（0.1 Hz~10–MHz）中急劇下降。在-75°C下，疏水離子凝膠成為電介質(zhì)材料。隨著溫度的升高，疏水離子凝膠的離子電導(dǎo)率增加了幾個(gè)數(shù)量級。在-50°C的低溫下，疏水離子凝膠的離子電導(dǎo)率保持為2.05*10^-6S/cm，使其適用于非常冷和熱的環(huán)境。更重要的是，疏水離子凝膠具有獨(dú)特的疏水性和濕度不敏感性。將染色的疏水離子凝膠（聚合物含量為40％）在水中放置24小時(shí)，并觀察其質(zhì)量變化。其質(zhì)量維持率曲線如圖3（d）所示，表明疏水離子凝膠在水環(huán)境中具有很高的穩(wěn)定性。目視觀察，染色的疏水離子凝膠在水中不會溶脹或收縮，并且在水中儲存24小時(shí)后仍保持其原始形狀。

圖3  疏水離子凝膠的溫度特性及耐水性

  比較幾種離子導(dǎo)體的濕度敏感性，包括普通水凝膠（2 M NaCl水凝膠），保水水凝膠（8 M LiCl水凝膠），聚丙烯酸離子凝膠和本研究的疏水離子凝膠后發(fā)現(xiàn)，圖4（a）中除本研究的疏水離子凝膠外，隨著RH變化，其他離子導(dǎo)體質(zhì)量發(fā)生了顯著變化。凝膠的質(zhì)量變化也影響了它們的形態(tài)。圖4（b）和4（c）顯示了在不同RH下樣品的形態(tài)變化。顯然，除疏水離子凝膠的形態(tài)外，其他離子導(dǎo)體材料均受到濕度影響。

  為研究材料的極端溫度耐受性，將它們分別存儲在烘箱和冰箱中分別進(jìn)行高溫和低溫穩(wěn)定性測量。本研究的疏水離子凝膠在高溫和低溫下均穩(wěn)定，在苛刻的溫度下處理后仍保持不變的外觀（體積和透明性）。

圖4  離子凝膠空氣濕度穩(wěn)定性及耐溫性

  圖5是幾種離子導(dǎo)體的性能的相對圖。本研究設(shè)計(jì)的疏水離子凝膠覆蓋了最大的面積，表明該材料在現(xiàn)有離子導(dǎo)體中具有出色的綜合性能。

圖5  幾種離子導(dǎo)體的綜合性能比較

  采用本研究制備的疏水離子凝膠開發(fā)的幾種離子設(shè)備顯示：電阻式、電容式力學(xué)傳感器均可發(fā)生極大的電參數(shù)的變化�；谑杷x子凝膠的電致發(fā)光器件在實(shí)驗(yàn)室中露天放置1個(gè)月后，其形態(tài)或發(fā)光特性均未發(fā)現(xiàn)明顯變化。而基于水凝膠的電致發(fā)光器件在露天存放1天后失去了發(fā)光的均勻性和器件的柔韌性（圖6（f））。將疏水離子凝膠在惡劣條件下作為電纜應(yīng)用時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，將電纜浸入指定溫度的水中。即使在高于70°C或低于0°C的溫度下，離子電纜仍可以傳遞電能以使LED變亮（圖6（g））。

圖6  基于離子凝膠的離子器件展示

  本研究設(shè)計(jì)出的疏水離子凝膠不僅具有疏水性，還具有對濕度不敏感，寬工作溫度范圍，高電導(dǎo)率，可伸縮性和高透明性的獨(dú)特特征，這是適應(yīng)柔性離子器件開發(fā)的性能最佳的離子導(dǎo)體之一。

  論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2020/2505619/