浙工大郑司雨/杨晋涛团队Mater. Horiz.：金属枝晶原位生长策略助力制备坚韧导电水凝胶

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-02 07:50

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水凝胶因其具有良好的生物相容性和可拉伸性，是构建柔性电子器件的理想材料之一。通过在水凝胶中引入导电填料可以赋予水凝胶导电能力。按照填料的导电原理可将填料分为两类：电子型导电填料（如石墨烯、炭黑、金属纳米粒子等）和离子型导电填料（如氯化锂、离子液体等）。通常电子导电填料较疏水，与水凝胶作用弱、易聚集，从而影响水凝胶力学性能。为此，通常需对体系进行改性或添加增溶剂。另外，电子导电填料常需预先分散于凝胶前驱液中，易对聚合反应产生潜在影响。离子导电填料可通过溶液浸泡的方式吸入凝胶、且多具备一定水溶性。但离子导电水凝胶的电导率通常低于电子导电水凝胶，且离子填料易在液态环境中流失。如何通过简单方法开发高韧性导电水凝胶十分重要。

浙江工业大学郑司雨/杨晋涛团队已在高韧性两性离子凝胶的开发及其与离子相互作用方面取得系列进展（Mater. Horiz. 2025, 10.1039/d4mh01778a; Adv. Energy Mater. 2024, 2303991; Adv. Sci. 2024, 2407501; Nano Energy 2024, 109166; Adv. Funct. Mater. 2023, 2303272; Adv. Funct. Mater. 2022, 2205597; Chem. Mater. 2021, 8418; Adv. Funct. Mater. 2020, 2004633）。

近日，浙江工业大学郑司雨/杨晋涛团队与之江实验室李琛煜研究员合作，提出了一种基于原位生长枝晶制备坚韧导电水凝胶的策略，相关工作以“Developing tough, fatigue-resistant and conductive hydrogels via in situ growth of metal dendrites”为题发表于Materials Horizons，浙江工业大学硕士研究生司梦捷和唐悦蔓为论文的共同第一作者。

作者提出一种基于原位生长枝晶制备坚韧导电水凝胶的新策略。通过将聚合物水凝胶浸泡在SnCl₂溶液中吸收Sn²⁺离子，随后通过电化学反应将吸收的Sn²⁺离子转化成Sn枝晶，并将残余的Sn²⁺离子以纯水透析的方式从凝胶中脱除。所生长的锡枝晶不仅能相互连通形成导电通路，同时也能与聚合物网络形成相互作用，优化应力传递和能量耗散的能力。并且，位于凝胶裂纹尖端的锡枝晶还可以起到阻碍裂纹扩展的作用。因此，借助该方法能同步提升水凝胶的导电能力和力学韧性。此方法中，金属枝晶兼具一维材料（枝晶分支长径比大）和二维材料（枝晶骨架比表面积大）的优势，且兼具常规离子导电型填料易分散的优点和常规电子导电型填料导电性好的优点。研究发现，该方法适用于非离子型聚合物、阳离子型聚合物、阴离子型聚合物和两性离子型聚合物等不同体系水凝胶。其中，两性离子型水凝胶因其独特的反聚电解质效应效果更为突出，能在吸收离子时通过体积溶胀吸取更多Sn²⁺离子溶液，在纯水透析时通过体积收缩形成致密的锡枝晶网络。该方法能为导电高韧性水凝胶的制备提供一种新思路。