西安交大王洪教授《AM》:通过掺杂离子液体，成功制备出电导率高达305 S/cm的无导电填料水凝胶

导电水凝胶因其良好的生物相容性和稳定性而在新兴的水凝胶生物电子领域引起了广泛关注。其中，导电聚合物聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）由于其高导电性、生物相容性和水稳定性，近年来得到了广泛的研究。然而，水凝胶的电导率通常低于 1 S/cm，不适用于数字电路或生物电子学中的应用。在水凝胶中引入导电无机填料可以提高其导电性，但这可能会导致其在柔顺性、生物相容性、变形性和生物降解性等方面的妥协。
近日，西安交通大学王洪教授等报道了一系列不含任何导电填料的高导电离子液体 (IL) 掺杂的 PEDOT:PSS 水凝胶。这些水凝胶表现出约305 S/cm的高电导率，比文献中没有导电填料的聚合物水凝胶的记录高约8倍。高导电性提高了水凝胶基热电器件的面热电输出功率，并提高了电磁干扰屏蔽效率，比文献中最先进的导电水凝胶高出约一个数量级。此外，这些可拉伸（应变> 30％）水凝胶表现出快速的自我修复和形状/尺寸可调的特性，在传感、热电、电磁干扰屏蔽等应用领域具有广阔的应用前景。相关工作近期以题为“Ultra-high electrical conductivity in filler-free polymeric hydrogels toward thermoelectrics and electromagnetic interference shielding”发表在了《Advanced Materials》上。图a,b分别为PEDOT:PSS和6种ILs的分子结构, 研究人员将PEDOT:PSS和ILs的混合物滴注在聚四氟乙烯模具上，在室温下干燥，制备了独立的掺IL的PEDOT:PSS膜。退火15min后，将所得膜在甘油水溶液中浸泡约30s，得到PEDOT:PSS水凝胶。制备过程通过对上述薄膜材料电导率测定，结果显示，与原始PEDOT:PSS薄膜相比，这些掺IL的PEDOT:PSS薄膜在导电性方面得到显著的改善，且电导率随IL浓度的增加而增加。此外，研究人员还通过阴离子交换机制对掺IL的PEDOT:PSS薄膜导电性改善进行了解释。

薄膜电导率研究将薄膜浸泡在甘油水溶液中，制备了掺IL的PEDOT:PSS水凝胶，与薄膜相比，获得的水凝胶变厚，而其长度没有明显变化。随后，研究人员还细致的研究了甘油浓度对水凝胶厚度、电导率等的影响，在甘油浓度为90%时，PEDOT:PSSM水凝胶/EMIM-TFSI的最高导电率约为之前无无机导电填料水凝胶导电率记录的8倍。

水凝胶电导率研究此外，PEDOT:PSS水凝胶/EMIM-TFSI/甘油-90可切割成任意结构用于不同目的。研究人员还用其制作了一个应变传感器，以展示PEDOT:PSS水凝胶/EMIM-TFSI/甘油-90在传感中的潜在应用。当手指弯曲15度、30度、45度和60度时，可观察到清晰且可产生的电阻变化。通过电路中的LED灯还可以观察到PEDOT:PSS水凝胶/EMIM-TFSI/甘油-90的快速自愈能力，在切割过程中LED灯一直亮着，这些结果表明，所获得的水凝胶具有一系列在生物电子学中应用非常理想的性质。

水凝胶应用测试在热电转换和电磁干扰（EMI）应用中，显著的导电性有助于提高水凝胶基器件的性能。研究发现，该工作中厚度为46μm的PEDOT:PSS /EMIM-TFSI/甘油-90水凝胶的EMI屏蔽效率为54 dB，能够满足商业要求。

电磁屏蔽效率测试综上，这项工作为开发具有理想机械性能的高导电水凝胶提供了一种简单而有效的方法，可促进聚合物水凝胶在软性和自修复水凝胶生物电设备以及可穿戴有机设备如传感、热电、电磁干扰屏蔽等应用中的研究。