纳米能源所蒲雄研究员JMCA：可回收、强粘附、快速自愈合的离子导电弹性体及离电器件

第一作者：李隆伟

通讯作者：蒲雄*

单位：中科院北京纳米能源与系统研究所，中国科学院大学

离电器件的制备是一种新兴的，基于复杂的离子控制作为连接固态电子和生物系统信号载体的技术。目前，离电器件在生命监测、电子皮肤和柔性传感等领域有重要应用。其中，结合了离子导电性和柔性的离子导体是离电器件中最重要的部件之一，大多数的离子导体主要是水凝胶、有机凝胶、离子凝胶和固态离子导电弹性体。

不同于常规凝胶材料易失水或发生液体泄漏，固态离子导体在环境稳定等方面有巨大优势。此外，离电器件的使用过程中，材料多数难以回收，造成巨大的资源浪费和环境污染。因此开发可回收的离子导体材料对发展环保型离电器件具有重要意义。本文主要设计了一种基于聚两性离子液体的离子导电弹性体，具有可回收、强粘附和快速自愈合的特点。

基于此，来自中科院北京纳米能源与系统研究所的蒲雄研究员，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=14.51）上发表题为“Recyclable, Adhesive and Fast Self-Healable Ionic Conducting Elastomer Based on Poly-Zwitterionic Liquid for Soft Iontronics”的研究文章。

在前期固态离子导体的研究基础上（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909252；Adv. Mater. 2021, 2101396；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 46794−46802；J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 24325–24335），作者设计了一种基于聚两性离子液体（PZIL）的离子导电弹性体，具有可回收、强粘附和快速自愈合的特点。并且，作者以此为柔性电极，制备了基于摩擦纳米发电机（TENG）机理的离电器件，展示了其作为触摸键盘在人机交互领域的应用前景。

图1. (a)PZIL的结构示意，(b)PZIL与已报道离子导体的性能对比。

常见的离子导体通常由交联网络和离子盐构成，致密的交联网络在提升材料力学的同时也带来了不可忽视的问题——多数化学键难以破坏，因此不易被回收降解。本文创造性地利用两性离子中离子-偶极和氢键物理作用为交联点，由此PZIL高分子链形成三维网络， 表现出可拉伸性。

不同于常规弹性体通过添加交联剂形成化学键的强作用，这种弱的物理交联更容易被破坏和重构，例如，PZIL可以被乙醇完全溶解，当乙醇除去后，又能再形成弹性体；当材料被损伤后，又能通过链段运动和交联作用重构，表现出自愈合性。另外，两性离子上丰富的基团还为材料带来良好的粘附性，如在金属表面通过金属和羧基作用粘附，在纸张表面则通过氢键作用等粘附。

要点二：固态离子导体中的优良导电性

通常来说，凝胶类离子导体由于有溶剂等液体组分，离子更容易传输，因此相比于固态离子导体有更好的离子导电性。本文中通过简单的离子交换，由乙烯基羧甲基咪唑氯化鎓和双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）得到两性离子液体ZIL，游离的TFSI^-和H⁺能够在聚合物网络中迁移。由此，PZIL在室温下表现出良好的离子电导率，达到3.1×10^-4 s cm^-1，可满足离电器件中的柔性电极使用要求。

要点三：绿色可回收的TENG触摸板用作人机交互

TENG自2012年被王中林院士发明以来，在微纳能源、自驱动传感和蓝色能源等领域有重要应用。本文设计由PZIL和热塑性聚氨酯TPU构成三明治结构的单电极TENG，将10个TENG阵列组成0-10的数字键盘，当人手指按压键盘后，产生电压信号，传输给电脑终端，最终达到人机交互的效果。特别指出的，TPU和PZIL均可被溶剂溶解再回收，回收三次后的TENG性能与初始几乎无衰减，表现出优异的可回收性。

Recyclable, Adhesive and Fast Self-Healable Ionic Conducting Elastomer Based on Poly-Zwitterionic Liquid for Soft Iontronics https://doi.org/10.1039/D2TA06987C

投稿请联系contact@scimaterials.cn