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标   签：学科前沿

关键词：离子液体 木材 高性能离子凝胶 

离子导电凝胶在可穿戴电子设备、人工智能、柔性电子屏幕、可折叠储能设备等柔性电子领域具有巨大的应用潜力。通常，凝胶材料的整体性能是由聚合物网络作为其主干来调节的。合成聚合物是学术和工业领域应用最广泛的结构聚合物，它能赋予凝胶优异的力学性能、保湿能力和高生物相容性。然而，从不可再生的石化产品中提取的合成聚合物会造成严重的环境污染。

天然高分子材料，主要是从木材中提取的可再生纤维素，通过将纤维素与碳材料、导电聚合物、无机盐、离子液体(ILs)等各种导电介质结合，开发出多种纤维素基导电凝胶。其中，由ILs组成的导电纤维素基离子凝胶具有良好的防冻性能和高导电性。然而，目前还没有研究直接将木材，特别是低价值木材（包括破碎的木材、木片、木屑和其他木材残留物）转化为高性能的全纤维素离子凝胶。这一技术将有利于木材资源的高附加值利用，朝着可持续发展的方向发展。

基于此，来自哈尔滨工业大学的汪桂根教授和张嘉恒教授带领的团队使用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim]OAc, IL)原位溶解和自组装纤维素原纤，制备了透明的全纤维素离子凝胶。这种全纤维素离子凝胶具有高离子导电性和优异的机械性能。

图1. 低价值木材的回收和增值示意图

（图片来源：Chem. Eng. J.）

全纤维素离子凝胶具有高透光率，且表现出独特的弹塑性行为，具有显著的柔韧性和拉伸性。DSC结果表明，与IL相比，全纤维素离子凝胶的凝固点较低。-50 °C下，全纤维素离子凝胶也保持了高的透光性和良好的柔韧性以及优异的离子电导率，优于迄今为止报道的大多数离子凝胶。制备的全纤维素离子凝胶在控制其含水量时，可以形成可逆的氢键网络，表现出优异的自愈能力。

图2. 全纤维素离子凝胶的抗拉强度、离子电导率和抗冻性能测试结果

（图片来源：Chem. Eng. J.）

研究人员使用分子动力学模拟来研究全纤维素离子凝胶体系的结构变化。结果表明，水的存在促进了纤维素分子链的自组装。由于IL的阴阳离子协同作用，导致纤维素分子链分离，氢键网络被破坏。水分子与阴离子、阳离子结合，破坏离子液体与纤维素分子链之间的氢键，直接与纤维素形成新的氢键，引导了纤维素分子链的自组装，从而形成了三维网络结构的离子凝胶。

图3. 全纤维素离子凝胶的分子动力学(MD)模拟

（图片来源：Chem. Eng. J.）

研究人员进一步探索了其作为多功能传感器的潜在应用，制备了鱼网状多功能传感器。由于IL的高吸湿性和自组装纤维素网络的良好亲水性，多功能传感器作为湿度传感器提供了理想的信号反馈。由于其高灵敏度和高离子导电性，该多功能传感器装置对各种人体运动表现出理想的电响应。同时，由于ILs的存在，其具有良好的界面相容性和优异的电化学性能，即使在低温环境下也能保证离子的快速传输，可以用于制备柔性超级电容器。

图4. 全纤维素离子凝胶作为多功能传感器的应用

（图片来源：Chem. Eng. J.）

全纤维素离子凝胶的骨架由天然高分子材料纤维素组成，具有良好的生物降解性。通过去除离子液体中的杂质和水分，离子液体可重复用于制备全纤维素离子凝胶，大大减少了这种材料对环境的影响。而且可以在自然环境中完全生物降解而不产生电子废物，是一种具有可持续发展前景的凝胶材料。

图5. 全纤维素离子凝胶的生物降解性和可回收性

（图片来源：Chem. Eng. J.）

综上所述，该研究利用简单的原位溶解和自组装方法，成功地制造了一种透明、可生物降解、可回收、柔韧的全纤维素离子凝胶。离子凝胶的纤维素框架可以完全降解，而离子液体可以回收，避免在其整个生命周期中产生任何电子废物。这为废木材的增值提供了一个有前途的通用途径，加工后的全纤维素产品在柔性电子领域具有很大的潜力。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724016073

原文作者：

Dong Wu, Mi Wang, Wen Yu, Gui-Gen Wang, and Jiaheng Zhang

DOI: 10.1016/j.cej.2024.150121