导电水凝胶（CHs）由于其优异的导电性、可控的机械性能以及良好的生物相容性，在作为新兴材料来制备柔性可穿戴传感器、摩擦纳米发电机（TENGs）的柔性电极等领域引起了人们的广泛关注。然而，CHs的主要缺陷是在服役工况下的稳定性较差。因为其主要成分是水，而水会随时间蒸发、或在低温下冻结、或在高温下变干，从而导致CHs的弹性和导电性受影响。因此，CHs的稳定性限制了其在恶劣环境中的应用。
郑州大学代坤教授、北京化工大学万鹏博教授等人通过简单的溶剂替代策略得到了一种耐恶劣环境的有机水凝胶，其中水凝胶中的部分水被甘油替代，从而实现在不牺牲拉伸性和导电性的情况下具有出色的耐温性（-60至60°C）和良好的稳定性（在正常环境下为30天）。该水凝胶具有超宽的应变感应范围（0–4196％）和8.5的高灵敏度，可以有效地检测和区分在各种条件下的人类活动。将其用于单电极TENG中，即使在500％的拉伸下仍展现出出色的能量收集能力，并且在恶劣的条件下也能直接为可穿戴电子设备供电。这项工作为多功能有机水凝胶开辟了一条新的途径，并有望在极端环境中实现柔性且自供电的可穿戴设备。该研究以题为“Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics”的论文发表在《 Advanced Functional Materials》上。
【有机水凝胶的制备及其性能】
作者将蒙脱土（MMT）和碳纳米管（CNT）在水中超声分散，以实现MMT的预剥离和CNT的插层。加入丙烯酰胺（AM）后，进一步剥离MMT。随后，加入过硫酸铵，以使AM聚合并形成水凝胶MMCH。最后，通过溶剂置换策略将MMCH直接浸入甘油溶液后，获得了有机水凝胶MMCOH（图1a）。MMCOH显示出优异的抗冻和抗干燥性能，即使在极端温度下也可保持高达3000％的应变和出色的电导率。在正常环境下存放30天后，该水凝胶仍可弯曲或拉伸至1000％应变并保持良好的电导率。
图1聚丙烯酰胺/蒙脱土/碳纳米管有机水凝胶的合成与结构
【基于有机水凝胶传感器的人体运动检测】
MMCOH作为可穿戴传感器可以在很宽的工作应变范围（0-4196%）内使用，在2000个周期内表现出快速而出色的感测响应稳定性（图2f）。作者研究了其在正常环境下存放30天后的动态循环响应行为，MMCOH的高保水能力使传感器在200个周期内和1000％应变下仍表现出出色的稳定性（图2i，j），展现出了在恶劣环境下的长期稳定性和良好的可重复性。基于MMCOH的传感器在恶劣条件下的传感性能使其可用于可穿戴电子设备中以检测复杂的人体运动。传感器被组装到膝关节以准确跟踪相应的剧烈运动，例如爬楼梯（图3b）。当志愿者拿着水杯时，传感器可提供稳定且可重复的传感响应（图3c），这进一步说明了其良好的环境耐受性，并为可穿戴电子产品在宽温度范围内的实际应用铺平了道路。
图2聚丙烯酰胺/蒙脱土/碳纳米管有机水凝胶作为耐环境应变传感器
图3人体运动检测
【基于有机水凝胶的摩擦纳米发电机】
作者构造了一种三明治结构的抗冻和抗干燥有机TENG（AOH-TENG），其中商用PU薄膜作为接触摩擦电材料层，MMCOH作为电极层（图4a）。AOH-TENG接触/分离运动的电输出在14000次内具有稳定的电输出（图4e），满足了纳米发电机对可靠性的要求。在环境条件下存放2个月后，AOH-TENG的电力输出未出现明显衰退，表现出优异的电子传输能力和可重复性，这证明了有机水凝胶电极在拉伸性和稳定性方面的巨大优势。作者还设计了一种自充电电源系统评估AOH-TENG的发电能力。该AOH-TENG能够在寒冷条件下从摆臂收集足够的机械能来点亮20个LED，从而证明了其在零下环境中的可靠性。当温度从-60°C升高到60°C时，也没出现明显的电损耗，这表明它在较宽的工作温度范围内都具有出色的稳定性。
图4基于抗冻和抗干燥有机水凝胶的TENG的电输出性能
总结：作者通过简便的溶剂替代策略设计并制造了一种具有抗冻、抗干燥和长期环境稳定性的新型多功能柔性纳米复合有机水凝胶。该水凝胶可以在很宽的温度范围内保持出色的拉伸性和良好的导电性，并能在正常环境中放置长达30天。基于MMCOH的传感器在宽应变检测范围内具有高灵敏度、出色的可靠性和耐用性，也可用作可穿戴电子设备在低温下检测和区分人体运动。此外，还能作为一种TENG在宽温度范围甚至在大变形条件下也具有可靠的稳定性。这项工作为低温传感器和实际柔性电源的潜在多功能应用提供了新的见解。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101696
来源：高分子科学前沿
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