高导电性木质素磺酸盐-聚丙烯酸-Al3+水凝胶的制备及其在柔性超级电容器中的应用研究

本文推荐：研究者创新性地利用工业副产物木质素磺酸盐(LS)与Al3+协同作用，开发出具有优异机械性能(拉伸强度420.64 kPa/压缩强度2860 kPa)和高离子电导率(5.80 S·m-1)的PAA-LS-Al3+水凝胶电解质。该材料在超级电容器中展现出306.19 F·g-1的比电容和27.22 Wh·kg-1的能量密度，经5000次循环仍保持78.1%的容量保持率，为柔性电子设备提供了新型可持续能源解决方案。

　　

Highlight

材料

木质素磺酸盐(LS)购自上海伊恩化工技术有限公司，丙烯酸(AA)和六水合氯化铝(AlCl₃·6H₂O)来自国药化学试剂有限公司，过硫酸铵(APS)由麦克林化学技术有限公司提供。所有化学品均直接使用未作进一步纯化。

PAA-LS-Al³⁺水凝胶制备

首先精确称量LS溶解于去离子水，加入丙烯酸单体后，在氮气保护下以APS引发聚合。随后注入AlCl₃溶液引发离子交联，最终形成具有三维网络结构的导电水凝胶。优化实验表明，当LS与水的质量比为1:5，Al³⁺浓度为0.3 mol/L时，材料性能达到最佳平衡。

Characterization of PAA-LS-Al³⁺ hydrogel

扫描电镜显示水凝胶具有多孔粗糙结构(图2a)，比表面积达8.5379 m²/g。红外光谱证实LS中的酚羟基与PAA羧基形成氢键网络，X射线光电子能谱则检测到Al³⁺与含氧基团的配位作用。这种独特结构使材料同时具备优异的离子迁移通道和机械稳定性。

Conclusion

本研究成功开发出基于工业副产物LS的高性能PAA-LS-Al³⁺水凝胶，其独特的酚醌/Al³⁺氧化还原对协同作用，使材料兼具高导电性(5.80 S·m^-1)和卓越机械性能(伸长率830%时拉伸强度420.64 kPa)。组装的超级电容器展现出306.19 F·g^-1的比电容和27.22 Wh·kg^-1的能量密度，5000次循环后容量保持率达78.1%，在柔性电子领域具有广阔应用前景。