吉林大学王贵宾教授团队CEJ: 有机盐诱导的高强度、高韧性及热可逆性PVA/gelatin水凝胶电解质的制备及性能研究

第一及共同第一作者：鲁楠、李磊博

通讯作者：王贵宾*、王晟道*

单位：吉林大学化学学院、特种工程塑料教育部工程研究中心

双网络水凝胶是一类由两种性质差异显著的聚合物网络（物理交联和化学交联）组成的特殊凝胶，在受到外力刺激时，脆性的物理交联网络作为“牺牲”组分来耗散能量，而韧性的化学网络可以维持凝胶结构的稳定性，因而大多数双网络凝胶优于单网络凝胶（例如PVA、PAM、PAA基水凝胶）的强度和韧性。然而，化学交联网络往往是不可逆的，一旦形成就很难被破坏，因此大多数双网络凝胶都不能实现二次成型加工。目前，很多柔性超级电容器所使用的电解质都是以双网络凝胶作为基体，然后掺杂酸、碱或无机盐，然而这些掺杂组分往往不能和聚合物网络产生相互作用。因此，通过合理优化凝胶基体组成来提高凝胶整体机械强度和韧性，以及赋予其二次成型加工性能这一挑战亟待解决。

近日，吉林大学王贵宾教授团队，在国际知名期刊“Chemical Engineering Journal”上发表题为“Organic salt induced high mechanical strength, toughness and thermal reversible poly (vinyl alcohol)/gelatin hydrogel electrolytes for flexible all polymer supercapacitors”的研究文章。王贵宾教授团队创新性地将双网络策略与盐析策略协同结合，使得水凝胶电解质的机械强度、韧性和离子传导率同时得到大幅度提高。优化后的凝胶电解质表现出与天然肌腱媲美的卓越机械性能：机械强度（7.67 MPa）、韧性（31.68 MJ m^-3）、应变水平（850%）、离子电导率（12.17 mS cm^-1）。令人意想不到的是，这一成果仅仅是通过一种简单的加工方法实现的：将PVA/gelatin水凝胶浸泡在磺基琥珀酸盐溶液中，溶液中的磺基琥珀酸根阴离子（SA^n-）作为网络间桥联基元，可以同时与明胶的质子化氨基建立静电相互作用并与PVA的羟基形成氢键作用，即可通过聚合物链的重新排列引发结构重组。这种由可逆的物理交联网络机制形成的凝胶电解质，赋予了材料热可逆特性，可以实现二次加工成型。当与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）电极集成构建柔性超级电容器（FSCs）时，所得器件在多种机械形变下仍保持优异的电化学稳定性。综上所述，该协同方法不仅显著提升了水凝胶的拉伸强度和韧性（优于单一策略），还同步优化离子电导率，并赋予材料热可逆特性，实现重复加工。最终构建的FSCs兼具高机械性能-电化学耐久性与闭环可回收性，为水凝胶电解质设计提供了新的协同策略范式。

SAn-的核心功能体现在其分子桥接机制中：

场发射扫描电镜（SEM）图像揭示浸泡时间对纳米纤维网络的影响：从松散结构到致密网状形态的转变，直观展示盐析效应驱动的自组装行为。通过控制浸泡时间实现了对水凝胶微观结构的精准调控，进而优化其机械性能和离子传导率。

随着PVA/gelatin水凝胶浸泡时间的延长，结晶度逐渐增加，但超过临界值后会导致机械强度和韧性下降。揭示了浸泡时间对水凝胶机械性能和结晶度的综合影响，关键是在于结晶度与机械性能的动态平衡。突破传统水凝胶“强而不韧”的瓶颈。

在切割、压缩、扭曲、折叠和锤击等机械破坏下，器件GCD曲线保持高度对称，测试后电容保持率始终接近100%。这种机械-电化学稳定性源于两项协同设计原则：（1）薄膜电极与水凝胶电解质之间卓越的界面粘附性能，确保了动态形变过程中稳定的电接触；（2）能量耗散型水凝胶缓冲层通过在整个器件架构中重新分配外部机械应力，有效缓解了局部应变集中现象。

王贵宾，吉林大学化学学院教授。

博士研究生导师，吉林大学唐敖庆特聘教授。享受国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，吉林省长白山学者特聘教授。主要从事高性能聚合物的合成、加工成型、树脂基复合材料以及高性能聚合物的功能化、聚合物电解质及其储能元器件、锂离子电池高性能硅负极粘结剂、锌离子电池电解质、新型高、低介电常数的聚芳醚酮、超滤膜及三阶非线性光限幅材料等研究。先后主持承担了国家“863”高技术发展计划、国家自然科学基金等国家和其他省部级项目40余，取得了多项研究成果。在国际知名《Advanced Materials》、《Nano Letters》、《Composites Part B: Engineering》、《Composites Science and Technology》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Colloid and Interface Science》等期刊上发表SCI论文260余篇。参编英文专著3部，中文专著2部。已获授权发明专利97项。获国家技术发明奖二等奖1项；获省部级技术发明奖一等奖3项、二等奖1项；获省部级科技进步奖一等奖2项、二等奖1项。

2014年至2018年就读于吉林大学化学学院化学专业。同年9月，本硕博保送至吉林大学化学学院高分子化学与物理专业攻读博士学位，师从王贵宾教授，现就职于吉林大学特种工程塑料教育部重点实验室。