超分子—高分子—碳管一起混一混，电化学传感器就出锅啦

韩国科学技术研究所（KIST）的Seoung-Ki Lee、Chiyoung Park和水原大学的Seunghyun Lee等研究者受冶金行业低温共晶焊接技术的启发，找到了一种更简单更环保成本更低的方法制备粘弹性聚合物-碳复合材料。

Wed Feb 14 00:00:00 CST 2018 X一MOL资讯

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复合材料体系中多组分间的超分子作用对于复合材料性能的提升具有重要作用。在电子学、电催化及电子传感等应用领域，基于超分子作用实现碳纳米材料等功能组分的均匀分散和简便凝胶化是制备高性能功能性复合材料的关键步骤。以往的研究表明，离子液体（ionic liquid，IL）具有性质稳定、难挥发等特性，是构筑碳纳米管（CNT）等碳纳米材料凝胶的理想分散介质。但是，IL制备成本相对偏高，限制了其大规模应用。去年，爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan N. Coleman教授课题组将石墨烯和“橡皮泥”（轻度交联的聚硅树脂）混合，得到一种敏感度很高的电力学传感材料——G-putty，可以用来检测变形和冲击等过程，这一充满“玩心”的工作发表在Science 上（Science, 2016, 354, 1257，点击阅读详细）。不过这种聚合物-碳复合材料的制备过程中涉及到石墨烯的分散等繁琐步骤，成本高，体系的粘弹性和可重塑性有待提高。

近日，韩国科学技术研究所（KIST）的Seoung-Ki Lee、Chiyoung Park和水原大学的Seunghyun Lee等研究者受冶金行业低温共晶焊接技术的启发，找到了一种更简单更环保成本更低的方法制备粘弹性聚合物-碳复合材料。他们发现基于二苯胺（DP）和二苯甲酮（BP）之间的电荷转移相互作用可制备非挥发性的超分子共晶液（eutectic liquid，EL），这种共晶液不仅可以溶解一些聚合物，还能够与单壁碳纳米管（SWCNT）通过研磨形成块体凝胶。所制备的复合材料具有很好的电力学传感性能，性质完全可调。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

基于EL、CNT和聚合物的凝胶体系的构筑及应用示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

DP和BP分子存在相反的静电势，当将BP和DP固体混合在一起时，基于分子间的电荷转移作用，能够形成稳定的淡黄色液体（EL）。进一步在该体系中加入纯化后的SWCNT能够形成可注射挤出的粘弹性凝胶。研究团队基于拉曼光谱测试表明EL体系与SWCNT之间未发生化学反应，同时DSC和TGA测试表明EL体系分子与CNTs表面存在明显的作用。

基于DP-BP构筑SWCNT凝胶体系及表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究团队进一步对DP-BP的EL体系中不同聚合物的溶解性进行了测试，EL基于分子间范德华力和分芳环π-π作用能够溶解PS、SBS等聚合物体系，基于分子间范德华力和氢键作用对EVA、PMMA等聚合物体系具有良好的溶解性。与传统的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺（BMITFSI）相比，这种EL的溶解性具有明显的优越性，且成本更为低廉。上述形成的聚合物溶液体系再引入SWCNT就能够制得具有优异粘弹性的导电凝胶体系（EL-SBS-CNT），可简单成型，甚至可以打印。同时，体系的电导率和模量能够通过调节加入的SWCNT量进行调整。

EL体系聚合物溶解性能测试和EL-SBS-CNT凝胶体系的构筑及性能调控。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该导电凝胶体系具有高度的应力敏感性，作为压力传感器在脉搏检测的实际应用中展现优异的灵敏度和性能稳定性（下图a-c）。此外，基于凝胶体系的粘弹性特征，该导电凝胶体系具备突出的自修复性能，切断之后经过轻压就可恢复导电（下图d-f）。同时，EL-SBS-CNT导电凝胶能够通过压印构筑在不同的塑料基底上，这使得其在柔性可穿戴电子器件领域具有重要的应用价值。