华南理工|陈港教授/况宇迪AFM：拉伸率达1500%，环境稳定的MXene基多功能有机导电水凝胶- 大数跨境

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华南理工|陈港教授/况宇迪AFM：拉伸率达1500%，环境稳定的MXene基多功能有机导电水凝胶

科学材料站

2020-09-25

导读：该文章以纳米纤维素作为增强骨架，同时引入聚丙烯酰胺弹性网络和MXene导电网络，设计和构建了一种具有良好环境稳定性、超拉伸性、自粘性以及自修复性的MXene基纳米复合有机水凝胶，可用于组装适合开放环境

文章信息

拉伸率达1500%，环境稳定的MXene基多功能有机导电水凝胶

第一作者：魏渊

通讯作者：况宇迪*，陈港*

单位：华南理工大学

研究背景

导电水凝胶以其在可穿戴应变传感器、电子皮肤和个性化医疗监护等方面的巨大应用潜力，引起了研究者的极大兴趣。然而，传统的导电水凝胶材料以水为溶胀介质，在低温环境下会遇到水凝胶冻结、开放性环境中水分蒸发等问题，进而导致水凝胶结构失效。

近年来研究发现，利用有机溶剂（乙二醇、离子液体等）部分替代传统水凝胶材料中的溶剂水，或者引入无机盐，可以有效地防止水分子之间形成氢键，从而得到具有优异抗冻性和保水性的有机水凝胶。然而，这些新型导电凝胶体系也面临离子液体泄漏、盐析、机械性能下降和灵敏度低等问题。MXene作为一种新型的二维导电材料，其表面富含羟基、氧或氟等官能团。它具有水分散性好、比表面积大、导电率高等优点，是一种理想的导电添加剂。而纳米纤维素纤维（CNF）作为一种天然高分子材料，具有机械柔韧性高、长径比大、易改性等优点。是一种理想的骨架材料。

基于此，本文提出了在有机水凝胶中引入MXene导电网络和CNF增强骨架，制备环境稳定、高拉伸、高灵敏度、自粘附、自修复的导电凝胶传感器的新策略。

文章简介

近日，来自华南理工大学的陈港教授与况宇迪博士等，在国际知名期刊Adv. Funct. Mater.（影响因子：16.834）上发表题为“MXene-Based Conductive Organohydrogels with Long-Term Environmental Stability and Multifunctionality”的文章。

本文以纳米纤维素（CNF）为增强骨架，同时引入聚丙烯酰胺（PAAm）弹性网络和MXene导电网络，设计并构建了一种环境稳定性好、超拉伸、自粘性、自愈的MXene基纳米复合有机水凝胶，可用于组装适合在开放环境中长期监测人体运动信号的表皮传感器。

图1. PTCM-Gly有机水凝胶的设计策略及制备示意图。

本文要点

要点一：独特的三元杂化网络设计，赋予有机水凝胶优异的机械性能和高灵敏度

本研究首先利用纳米纤维素（CNF）多羟基的性质，基于多重氢键和单宁酸的自聚合作用，在纳米纤维素表面均匀包覆一层单宁酸（TA），制备了单宁酸改性纤维素纳米纤维(TA@CNF)。在此基础上，设计并构造了一种独特的三元混合网络结构。以PAAm共价交联网络为弹性骨架，MXene纳米片导电网络为导电骨架。发挥各组分的协同作用，赋予有机水凝胶（PTCM-Gly）良好的力学性能（断裂应力>160kPa，~1500%断裂应变）、抗疲劳性能（100%应变循环拉伸100次以上）、灵敏度高（应变系数达到8.21）。

要点二：引入甘油/水二元溶剂体系，实现水凝胶的环境稳定性和长程稳定性

本文采用甘油/水二元混合溶剂作为导电纳米复合有机水凝胶的溶胀剂。由于甘油分子的存在，水分子之间原有的规整氢键结构被破坏，从而有效地抑制了低温下冰晶的形成。因此，制备的有机水凝胶具有优异的耐低温（-24℃，>1000%应变）、长期稳定性（>7d）和导电性。

要点三：植物多酚和动态可逆键协同拓展有机水凝胶的多功能性

植物多酚（单宁酸）是植物体内复杂的酚类次生代谢产物。它们具有多酚羟基结构，可以通过氢键、离子键和配位键与不同的基底表面动态结合。在本研究中，植物多酚的加入一方面使有机水凝胶具有良好的粘附性，为人机交互界面的稳固结合提供了保证；另一方面，随着硼砂的加入，水凝胶内部形成了大量的动态羟基-硼酸酯键，加上氢键，有机水凝胶具有良好的自修复性能。

图2. 有机水凝胶的宏观及微观形貌表征。

图3. PTCM-Gly有机水凝胶的机械稳定性能。

图4. PTCM-Gly有机水凝胶的电气响应性能。

图5. PTCM-Gly有机水凝胶的自粘附和自修复性能。

图6. PTCM-Gly有机水凝胶应用于人体生理信号监测。

结论

本文报道了一种具有良好环境稳定性、超拉伸性、自粘性和自修复性的MXene基纳米复合有机水凝胶。采用三元杂化网络结构设计，PTCM-Gly有机水凝胶的断裂伸长率高达1500%，断裂应力大于160kPa。此外，甘油的引入使有机水凝胶在极端温度（−36°C）下表现出优异的抗冻性和在开放环境中的长期稳定性（>7天）。PTCM-Gly有机水凝胶中丰富的儿茶酚基团和动态可逆键（氢键和动态硼酸盐键）使PTCM-Gly有机水凝胶具有良好的粘附性和自愈性。基于该有机水凝胶组装和制备的应变传感器在人体微/大型动作信号监测中具有良好的应用前景。

文章链接

Yuan Wei, et al., MXene‐Based Conductive Organohydrogels with Long‐Term Environmental Stability and Multifunctionality, Adv. Funct. Mater. 2020, 202005135.

DOI: 10.1002/adfm.202005135

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005135

本文第一作者是华南理工大学博士研究生魏渊，

通讯作者为华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陈港教授和生物医学科学与工程学院况宇迪博士，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室为第一通讯单位。

通讯作者介绍

陈港教授，博士，博士生导师

现任华南理工大学，特种纸研究团队的首席教授，特种纸技术创新平台的负责人，国家级教学团队的负责人、中国造纸学会的理事，中国造纸学会涂布加工纸专业委员会的副主任，中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会的委员，广东省特种纸与纸基功能材料工程技术研究中心的主任，广东省造纸学会的常务副理事长，广东造纸行业协会的副会长。担任《中国造纸》、《中国造纸学报》编委以及多家行业龙头企业的技术顾问。

陈港教授主要研究领域造纸新技术与特种纸，包括特种纸新技术、纸基功能材料、纸张涂布技术与理论、多种纤维混合成型机理、纳米纤维素制备及应用、造纸化学品的优化及应用、纸张防伪技术、功能材料在造纸过程的应用等，先后主持和参加国家重点研发计划、国家工信部重点行业绿色制造系统集成项目、国家自然科学基金、国家“973”计划、省自然科学基金、省高新技术成果孵化项目、粤港重点领域重大突破招标项目等。

近年来在Nano Letters、ACS AMI、JMCA、ACS SCE、EML、CEJ、Cellulose、Langmuir等著名刊物上发表了研究论文多篇。编写了专著2本，拥有28件授权发明专利。

况宇迪博士助理研究员，华南理工大学生物医学科学与工程学院在站博后

主要研究生物质材料的制备以及功能化应用。

曾先后主持和参加国家自然科学基金，青年基金、中国博士后基金面上项目以及国家重点研发计划等多个项目。

近年来在Nat Rev Mater、AM、AFM、Joule、EES等著名期刊上发表了高水平研究论文多篇，并且有6件发明专利授权。