具有高导电性和高延展性，适用于柔性电子皮肤和准固态电解质

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Highly conductive and highly stretchable suitable for flexible electronic skin and quasi-solid electrolytes

本研究成功制备了聚丙烯酰胺-黄原胶-氯化锂双网络导电水凝胶（PXL水凝胶），通过LiCl离子交联构建双网络结构，解决了传统单网络水凝胶导电性差、机械强度不足的问题。该材料兼具高拉伸性（2768.64%）、高离子电导率（2 mol/L LiCl）及优异低温性能，可应用于柔性压力传感器（监测书写、按压等动作）和对称超级电容器（20℃时比电容78.8 F/g），为开发低温耐用的柔性电子器件提供了新策略。

　　

明欧|雅玲路|学娇王|玉敏 Yan|学华沈|寻东马|金城穆

塔里木大学化学与化学工程学院南疆化学资源利用工程实验室，中国阿拉尔843300

摘要

由于单层网络水凝胶通常具有较低的导电性和较差的拉伸性能，因此在柔性传感器中的应用受到限制。为了解决这些问题，本研究使用了聚丙烯酰胺（PAM）、黄原胶（XG）和氯化锂（LiCl）来设计一种双网络导电水凝胶（称为PXL水凝胶）。PXL水凝胶在室温和低温下表现出优异的机械强度和高离子导电性。在2 mol/L的LiCl浓度下，PXL水凝胶的断裂应变和断裂应力分别达到2768.64%和298.70 kPa。使用PXL水凝胶制成的柔性压力传感器能够成功监测各种人类活动，包括书写、按压和手指弯曲。此外，PXL水凝胶还被制成温度传感器，在5至50°C范围内表现出良好的温度敏感性，其电阻温度系数（TCR）为-1.07%/°C。另外，PXL水凝胶还被用作准固态电解质，并与活性炭电极结合形成对称超级电容器。在20°C和0.5 A/g的电流下，该超级电容器的比电容为78.8 F/g；而在30°C和0.5 A/g的条件下，其比电容为55.1 F/g，约为20°C时的70%。因此，该超级电容器在低温下表现出良好的性能。本研究采用了一种简单的离子交联方法。这种双网络水凝胶结合了柔性传感和低温储能功能，为新型材料平台和技术设计提供了新的思路，有助于开发高性能、耐低温的柔性电子设备。

引言

导电水凝胶作为一种结合了亲水三维网络结构和高效电荷传输能力的软材料，在柔性电子、生物医学工程和能量存储等领域引起了广泛的研究兴趣[1]、[2]。导电水凝胶的核心优势在于它们能够模拟生物组织的柔软性和湿润特性，同时实现电子功能，如应力传感[7]、[8]、电生理信号采集以及能量存储和转换[10]、[11]。由于人工智能、个性化医疗和物联网（IoT）技术的快速发展[15]、[16]，对具有优异机械柔顺性、可靠电性能和良好生物安全性的柔性电子材料的需求日益迫切，这使得导电水凝胶成为构建下一代可穿戴设备、电子皮肤和植入式生物电子接口的理想候选材料[12]、[13]、[14]。因此，导电水凝胶的研究价值和应用前景变得越来越重要。

尽管导电水凝胶具有广阔的应用前景，但现有系统的性能平衡往往难以调和，这限制了它们在苛刻环境中的实际应用[18]、[19]。目前主流的材料系统主要分为两类：基于天然聚合物的和基于合成聚合物的材料。基于天然聚合物的材料（如明胶和黄原胶）具有良好的生物相容性和环境友好性，但存在导电性不足和机械强度较弱的问题[20]、[21]、[22]、[23]。相反，基于合成聚合物的材料（如聚丙烯酰胺/碳纳米管复合材料）在导电性和机械性能方面具有优势，但往往牺牲了生物相容性和可降解性，并且制备过程复杂、成本较高[24]、[25]。从制备方法来看，物理交联会导致稳定性不足和可控性差；化学交联可能会引入生物不相容的残留试剂；后处理改性（如浸渍）容易破坏材料的结构完整性[26]、[27]、[28]。这些挑战共同指向了一个核心科学问题：如何通过材料设计和制备的创新，在导电水凝胶中实现高导电性、优异的机械性能（如高拉伸性和高韧性）以及良好的生物相容性的协同提升[29]、[30]、[31]。

本研究设计并制备了一种新型双网络导电水凝胶（称为PXL水凝胶），使用聚丙烯酰胺（PAM）、黄原胶（XG）和氯化锂（LiCl）来解决上述问题。本研究的研究创新点如下：首先，在材料复合策略上，巧妙地将合成聚合物PAM的强度和韧性与天然多糖XG的生物相容性相结合，利用高移动性的LiCl作为导电介质，在源头上实现性能的互补。其次，在结构设计上，构建了双网络结构，其中共价交联的PAM网络和物理交联的XG网络分别作为刚性骨架和能量耗散相。这种结构通过牺牲可逆的物理键来有效分散应力，从而在分子层面协同增强了材料的强度、韧性和抗疲劳性。第三，在导电机制方面，Li⁺在双网络的高含水量间隙空间中形成了连续的快速离子传输通道，预期能显著提高材料的固有离子导电性。第四，在制备工艺上，采用了温和的一锅法原位聚合方法，简化了操作流程，避免了有毒试剂的使用，促进了材料的绿色合成和性能的可控调节[32]、[33]、[34]。

本研究旨在系统阐述PXL水凝胶的设计原理、制备方法、结构表征和综合性能。预期这种材料将展现出远优于传统单层水凝胶的机械性能、可调的稳定导电性和传感能力。本研究有望提供一种有效的新型材料系统，以解决导电水凝胶长期存在的性能平衡问题，并推动其在医疗健康监测、高精度柔性传感和仿生电子皮肤等前沿领域的应用探索。最终，本研究旨在为创新和发展柔性电子技术提供新的材料基础。

材料与仪器

材料：丙烯酰胺（AM，分析级，上海麦克林生化技术有限公司）；N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，分析级，天津北联精细化工发展有限公司）；过硫酸铵（APS，分析级，天津大茂化学试剂厂）；黄原胶（XG，分析级，上海阿拉丁生化技术有限公司）；氯化锂（LiCl，分析级，上海麦克林生化技术有限公司）；氮气（N₂，99.9%，阿拉尔鸿顺源气体销售有限公司）。

PXL水凝胶的结构与性能表征

通过制备LiCl浓度范围为1–6 mol/L的PXL水凝胶样品，并在相同条件下进行对比测试，系统研究了Li⁺浓度对水凝胶结构和性能的影响。观察到随着Li⁺浓度的增加，水凝胶表面逐渐变得光滑，其保水能力也随之提高。机械测试结果表明...

结论

本研究成功制备了一种多功能PXL水凝胶，由于加入了LiCl，该水凝胶在室温和低温条件下表现出优异的机械性能和离子导电性。此外，PXL水凝胶具有良好的电导率，可以用作压力-应变传感器来监测人类活动，如书写数字、敲击键盘、手指弯曲和按压。ΔR/R₀相应地产生了连续且稳定的信号。

作者贡献声明

明欧：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 原稿。 雅玲路：数据整理；概念构思。 学娇王：实验研究；资金获取。 玉敏 Yan：软件开发；资源准备。 学华沈：实验监督；软件支持。 寻东马：撰写 – 审稿与编辑。 金城穆：数据可视化；结果验证；实验监督。

未引用参考文献

[17]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32360803）和塔里木大学一流专业建设项目（编号：YLZYXJ202213）的财政支持。