離子凝膠是通過將離子液體 (ILs)固定到三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中形成的凝膠材料,具有良好的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電性以及柔性。然而,由于凝膠材料固有的柔軟性質(zhì),離子凝膠在長(zhǎng)期使用的過程中不可避免的會(huì)受到一些機(jī)械損傷。這破壞它們結(jié)構(gòu)完整性,導(dǎo)致機(jī)械和導(dǎo)電性能的下降甚至是喪失,從而縮短了它們的使用壽命。隨著超分子化學(xué)和分子合成技術(shù)的快速發(fā)展,人工自修復(fù)材料的合成成為可能。特別是通過將ILs負(fù)載到可逆共價(jià)或非共價(jià)鍵交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)中制備的自修復(fù)離子凝膠,憑借其可忽略的蒸汽壓、不可燃性、高熱穩(wěn)定性、良好的離子導(dǎo)電性和寬電化學(xué)窗口,在催化、傳感、超級(jí)電容器、離子導(dǎo)體、摩擦電納米發(fā)電機(jī)、氣體分離等方面展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。值得一提的是,基于低臨界轉(zhuǎn)變溫度(LCST)現(xiàn)象的具有可逆光透過率轉(zhuǎn)變能力的自修復(fù)離子凝膠在熱致變色智能窗領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用潛力。得益于IL良好的不揮發(fā)性,該離子凝膠具有優(yōu)于基于水凝膠的熱致變色材料的溫度穩(wěn)定性、重復(fù)轉(zhuǎn)變能力以及在嚴(yán)苛條件下的長(zhǎng)時(shí)間使用性。然而,目前的自修復(fù)離子凝膠存在制備過程繁瑣復(fù)雜,無法閉環(huán)回收等缺點(diǎn),限制了它在實(shí)際應(yīng)用的潛力。因此,通過超分子作用力的構(gòu)筑來制備可大面積制備和室溫下閉環(huán)回收的自修復(fù)熱致變色離子凝膠具有重要意義。
吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李洋副教授課題組長(zhǎng)期從事自修復(fù)離子凝膠的功能化研究。致力于通過超分子作用力來制備兼具自修復(fù)性能與機(jī)械性能的離子凝膠并應(yīng)用于變色器件,柔性電子器件,和氣體分離材料。近年來,該課題組在自修復(fù)離子凝膠以及功能化方面取得了一些進(jìn)展:(1)高強(qiáng)度自修復(fù)熱致變色離子凝膠用于制備環(huán)境穩(wěn)定的高性能智能窗(Adv. Mater. 2023, 35, 2211456);(2)室溫自修復(fù)離子凝膠用于高效穩(wěn)定的CO2分離 (J. Mater. Chem. A 2022, 10, 4695–4702)(3)高強(qiáng)度自修復(fù)離子凝膠用于制備高機(jī)械性和環(huán)境穩(wěn)定性的納米摩擦發(fā)電機(jī)(Nano Energy 2021, 90, 106645);谠谥苽涔δ芑孕迯(fù)離子凝膠材料方面的寶貴經(jīng)驗(yàn),近期該課題組設(shè)計(jì)并制備了一種基于超分子聚合物的自修復(fù)熱致變色離子凝膠并用于智能窗戶,該智能窗戶可以實(shí)現(xiàn)大面積制備和室溫閉環(huán)回收,且具有高太陽調(diào)制能力、機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性。
圖1 (a) ISP/mILn 離子凝膠的制造過程。 (b) 制備好的 ISP/30%IL0.8 離子凝膠的照片。(c) BTC、PEA 和 ISP/30%IL0.8 離子凝膠的傅立葉紅外光譜。(d) ISP/mILn 離子凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖。(e) ISP/30%IL0.8 離子凝膠用于舉起300 g重物的離子凝膠的照片。
圖2 (a) ISP/30%IL0.8離子凝膠從(1)20 °C加熱到(2,3)40 °C并保持24小時(shí),(4)隨后冷卻到20 °C的照片。插圖:光學(xué)顯微鏡圖像。(b)二元離子液體([Hmim][TFSI]:[Bmim][TFSI] = 0.8)和ISP/30%IL0.8離子凝膠的變溫FTIR光譜。(c) Hmim(上)/Bdmim(下)與PPG鏈段之間氫鍵形成的示意圖。(d) ISP/mILn離子凝膠LCST行為的機(jī)理示意圖。(e, f)離子液體含量對(duì)ISP/mILn離子凝膠力學(xué)性能和熱致變色性能的影響。(g, h)二元離子液體質(zhì)量比對(duì)ISP/mILn離子凝膠力學(xué)性能和熱致變色性能的影響。
圖3 (a) (1) ISP/30%IL0.8 離子凝膠;(2) 切開的 ISP/30%IL0.8 離子凝膠;(3) 在室溫下修復(fù) 36 h之后;(4) 愈合后的離子凝膠被拉伸到其原始長(zhǎng)度的 200%。(b) ISP/30%IL0.8離子凝膠的自修復(fù)機(jī)理示意圖。(c) ISP/30%IL0.8離子凝膠修復(fù)不同時(shí)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (d) ISP/30%IL0.8離子凝膠在不同切割和修復(fù)循環(huán)次數(shù)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (e) 劃傷的ISP/30%IL0.8離子凝膠在玻璃上(1)修復(fù)前和(2)修復(fù)36 h后的照片。(f) ISP/30%IL0.8離子凝膠修復(fù)不同時(shí)間后的切口光學(xué)顯微鏡圖像。(g) 劃傷的ISP/30%IL0.8離子凝膠經(jīng)過不同時(shí)間修復(fù)后的透過率光譜。(h) 不同切割-修復(fù)周期后 ISP/30%IL0.8 離子凝膠的熱致變色性能。
圖4 (a) ISP/30% IL0.8離子凝膠的閉環(huán)回收過程的照片。(b,c)原始和閉環(huán)回收的(b) PEA 和(c) BTC 單體的1H NMR 譜。(d) ISP/30%IL0.8離子凝膠在不同循環(huán)次數(shù)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖: 第一代再生 ISP/30% IL0.8離子凝膠的照片。(e) 不同循環(huán)次數(shù)后 ISP/30%IL0.8離子凝膠的熱致變色性能
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202313781
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