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天津大學姜忠義教授、吳洪教授在離子傳導膜上取得新進展
2019-11-11  來源:高分子科技

  離子導體在傳感器、超級電容器、電池等電化學裝置中起著關鍵作用,特別是近年來,柔性、透明離子導體的開發為新型柔性電子領域提供了更廣闊的發展機會,如柔性離子觸摸屏可更好地實現人機交互。目前,柔性且透明離子導體大部分是基于聚合物的復合材料。常用制備方法是將電解質(鹽、離子液體等)嵌入透明聚合物基質中,形成離子導電水凝膠或有機離子凝膠,這些離子導電復合物同時具有離子傳導、柔性和高透明特性,已應用到新興的離子電子器件中,如透明人造皮膚、摩擦發電機、軟體機器人和傳感器等。一般來講,離子導體的離子傳導率越高,器件靈敏度越高,響應越快,重量越輕。但,此類離子導體由于缺乏長程有序離子通道,其傳導率通常低于10-2 S cm-1,并存在電解質泄漏和穩定性問題,阻礙了其廣泛應用。

圖1. 蛭石納米片及柔性、透明離子傳導膜

  針對上述問題,該團隊采用具有本征離子傳導能力的二維納米黏土(nanoclays of intrinsic conductivity, NICs)作為離子通道構筑單元,制備了柔性、透明的本征離子傳導膜。NIC是一種天然存在的層狀硅酸鹽,通常具有一定荷電性,如帶正電的層狀雙氫氧化物和帶負電的蒙脫石、蛭石、云母等);具有良好的化學穩定性和熱穩定性,同時二維片層結構使其易于組裝成具有規整層狀結構的柔性薄膜。層間納米通道中的平衡離子可賦予NICs薄膜本征離子傳導特性,二維片層間又可構建長程有序離子通道,實現離子高效傳導。所制備的蛭石薄膜具有優異的柔韌性和高透明度(> 90%),且具有高達0.45 S cm-1的超高離子傳導率。此外,蛭石的無機屬性和獨特結構賦予了薄膜優異的穩定性。該蛭石薄膜用于離子觸摸屏,成功實現了即時人機交互,可實時完成圖形繪制、文字輸入等操作。這項研究工作為高性能透明離子傳導膜的設計和制備提供了一種新的策略和材料。

圖2. 即時人機交互:圖形繪制、文字輸入

  相關工作發表在Journal of Materials Chemistry A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA09140H上。論文第一作者是天津大學化工學院博士生曹利,目前為沙特國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology, KAUST)先進膜和多孔材料中心博士后研究員。通訊作者為天津大學吳洪教授姜忠義教授

  論文鏈接:https://doi.org/10.1039/C9TA09140H

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