藻酸盐印模材料中的胶结剂（子刊海藻酸盐水凝胶电解质应用于超级电容器）

藻酸盐印模材料中的胶结剂（子刊海藻酸盐水凝胶电解质应用于超级电容器）a 制备三层水凝胶电解质的示意图。b 三层水凝胶的照片和横截面 SEM 图像。c 不同扫描速率下的循环伏安法 (CV) 曲线。d 不同电流密度下的恒电流充放电 (GCD) 曲线。e 在1 mA cm-2的电流密度下1000次充放电循环的电容保持率，表现出稳定的循环性能。用于电解质的 Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li 水凝胶示意图。b 照片显示了 Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li 水凝胶的制备及其在 Li 溶液中的稳定性，以及其他水凝胶（PVA、明胶和 Ca-Alg/D/Ca）在 Li 溶液中的低机械稳定性。c Ca-Alg/D/Ca-Fe水凝胶浸泡在Li 溶液前后的应力-应变曲线。d Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li水凝胶的弹性模量和离子电导率。e 照片显示了 Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li 水凝胶作为固体凝胶电解质的稳定工作性能。f 包含 PEDOT 的重建水凝胶 Ca-A

对于合成水凝胶作为人造生物组织、柔性电子器件和导电膜的实际应用，达到特定机械性能的要求是最突出的问题之一。在这里，我们展示了超强、超硬和导电的海藻酸盐水凝胶，其具有通过简单的重建过程实现的密集互连网络，包括预凝胶的各向异性致密化和随后的离子交联和再水化。取决于交联离子，重建的水凝胶表现出广泛的出色拉伸强度（8-57 MPa）和弹性模量（94-1 290 MPa）。这种水凝胶可以容纳足够的阳离子（例如，Li ) 在其凝胶基质中不影响机械性能，并表现出足以用作凝胶电解质膜的高离子电导率。此外，通过在水凝胶基质中加入导电聚合物，该策略可用于制备机械性能优异的离子/导电水凝胶。通过表面去交联和再交联过程，这种水凝胶很容易层压，具有很强的界面粘合力，所得的层状水凝胶可以作为水性超级电容器的稳定凝胶电解质膜。

图文简介

在这里，我们报告了通过简单的制造方法实现的超强、超硬和导电的 Alg 水凝胶（图 1a）。所提出的方法包括两个步骤，即附着在平面基板上的预凝胶的各向异性干燥/收缩和在离子溶液中再水合的额外交联，这被称为重建方法。各向异性干燥/收缩和随后的交联/再水化过程产生紧密互连的 Alg 网络，显着提高水凝胶的强度和刚度。该工艺的简单性有利于生产具有大面积和厚而笨重的水凝胶（图 1b，c）。所得水凝胶在 MPa 至 GPa 范围内具有可变的拉伸强度和弹性模量，具体取决于交联离子（本研究中的 Ca2 、Ba2 、Al3 或 Fe3 ）；这些特征以前在水凝胶系统中没有实现。此外，水凝胶足够的水含量允许高阳离子溶解（例如，Li ) 在凝胶内而不影响水凝胶的机械性能。这种水凝胶表现出高离子电导率（2.2 mS/cm），足以用作储能装置的固体凝胶电解质膜。此外，我们可以通过在 Alg 基质中混合导电的聚 (3 4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐) (PEDOT:PSS) 来制造离子/导电水凝胶。这种水凝胶通过表面去交联和再交联过程很容易层压，具有很强的界面粘合力。由含有 PEDOT 的顶层和底层组成的三层水凝胶展示了作为水性超级电容器的稳定凝胶电解质膜的潜在可用性（图 1d）。

重建的 Alg 水凝胶和机械坚固的水性超级电容器的制造示意图

a重建方法的制备步骤：Ca-Alg预凝胶的各向异性干燥/收缩和在 Ca2 溶液中的交联/再水化。为了进一步提高水凝胶的机械性能，还引入了从Ca2 到Xn （Ba2 、Al3 或Fe3 ）的离子交换步骤。b、c照片分别显示了通过层压重建的大面积水凝胶和大体积水凝胶。d由活性炭（AC）电极和三层水凝胶电解质组成的机械强度高的水性超级电容器示意图。

a 显示每个步骤的水凝胶样品、各向异性干燥/收缩和交联/再水化的照片。b 所得重建的 Ca–Alg/D/Ca 水凝胶的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。c 分别显示 Ca-Alg 和 Ca-Alg/Ca 水凝胶在 CaCl2 溶液中浸泡前后的照片。d Ca-Alg/Ca 水凝胶的横截面 SEM 图像。e 每个水凝胶中的藻酸盐浓度。f 应力-应变曲线以及 Ca-Alg、Ca-Alg/Ca 和 Ca-Alg/D/Ca 水凝胶的 g 拉伸强度和弹性模量。h 代表 Ca–Alg/D/Ca 水凝胶机械强度的照片。i 每个水凝胶中的水含量。j Ca-Alg/Ca 和 Ca-Alg/D/Ca 水凝胶的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱和 k 差示扫描量热法 (DSC) 曲线，显示了稀疏和致密聚合物网络之间相互作用程度的差异。冻干后获得 SEM 图像。误差线对应于标准偏差。

a 二次离子交联的 Ca-Alg/D/Ca-X 水凝胶通过浸泡在 BaCl2、AlCl3 或 FeCl3 溶液中与其他阳离子交换 Ca2 离子的示意图。b 所得水凝胶中的水含量。c 能量色散 X 射线光谱 (EDX) 剖面图和 d Ca–Alg/D/Ca 和 Ca–Alg/D/Ca–Fe 上表面的 X 射线光电子能谱 (XPS) 剖面图 . e 重建水凝胶的应力-应变曲线和 f 拉伸强度和弹性模量。g 不同厚度的Ca-Alg/D/Ca-Fe的拉伸强度和弹性模量。误差线对应于标准偏差。

用于电解质的 Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li 水凝胶示意图。b 照片显示了 Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li 水凝胶的制备及其在 Li 溶液中的稳定性，以及其他水凝胶（PVA、明胶和 Ca-Alg/D/Ca）在 Li 溶液中的低机械稳定性。c Ca-Alg/D/Ca-Fe水凝胶浸泡在Li 溶液前后的应力-应变曲线。d Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li水凝胶的弹性模量和离子电导率。e 照片显示了 Ca-Alg/D/Ca-Fe-Li 水凝胶作为固体凝胶电解质的稳定工作性能。f 包含 PEDOT 的重建水凝胶 Ca-Alg-PEDOT/D/Ca-Fe-Li 的图示。g Ca-Alg-PEDOT/D/Ca-Fe-Li水凝胶的弹性模量和电导率。误差线对应于标准偏差。

a 制备三层水凝胶电解质的示意图。b 三层水凝胶的照片和横截面 SEM 图像。c 不同扫描速率下的循环伏安法 (CV) 曲线。d 不同电流密度下的恒电流充放电 (GCD) 曲线。e 在1 mA cm-2的电流密度下1000次充放电循环的电容保持率，表现出稳定的循环性能。

总之，我们基于一种简单的重建方法开发了机械增强的水凝胶，制备了密集互连的聚合物网络。各向异性干燥/收缩致密聚合物链，以及随后在离子溶液中的离子交联固定致密网络并导致再水合。这种简便的工艺可用于大规模生产水凝胶，预计将适用于实际制造。根据交联离子的不同，得到的重建水凝胶分别在 8-57 MPa 和 94-1 290 MPa 的宽范围内具有出色的拉伸强度和弹性模量。此外，通过添加导电聚合物 PEDOT，可生产离子/导电水凝胶。除了机械性能外，由于水凝胶电导率足够高，可以作为固体凝胶电解质膜进行实际应用，我们证明了水凝胶作为超级电容器凝胶电解质膜的实际可用性。根据这份报告，我们希望通过将当前概念与现有方法相结合，例如添加其他聚合物绘制聚合物链或嵌入无机颗粒，进一步开发机械稳健的功能水凝胶。

论文信息

论文题目：Superstrong superstiff and conductive alginate hydrogels通讯作者：Jaeyun Kim通讯单位：成均馆大学 (SKKU)

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