基于羧甲基纤维素钠与聚离子液体的多功能离子导电水凝胶在高性能超级电容器与传感应用中的研究

本综述系统介绍了基于羧甲基纤维素钠（CMC）与聚离子液体（PIL）的多功能离子导电水凝胶的构建策略及其在柔性超级电容器与生物传感中的前沿应用。该水凝胶通过TA-Fe3+自催化体系快速成型，具备优异机械性能（应变936%，应力121.9 kPa）、高粘附性（243.5±4.94 kPa）、自修复特性及卓越导电性（2.114 S m-1），同时在-30°C低温环境下仍保持高导电率（1.508 S m-1），为柔性电子器件在极端环境下的应用提供新方案。

　　

Highlight

本研究通过TA-Fe³⁺自催化体系成功构建了基于CMC与PIL的多功能离子导电水凝胶，展现出卓越的机械性能、自修复能力、高粘附性及优异的导电性，在超级电容器与柔性传感领域具有广阔应用前景。

Section snippets

Materials

丙烯酸（AA, 99.0%）和六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O, 99.0%）购自Energy Chemical公司。羧甲基纤维素钠（CMC，数均分子量约90,000，取代度70%，粘度800-1200 mPa·s，纯度99.0%）、单宁酸（TA, 99.9%）、1-乙烯基咪唑（99.0%）、溴乙酸（99.0%）和过硫酸铵（APS, 99.9%）购自Adamas-beta?。

Preparation of CAVIMBr

将1-乙烯基咪唑（1.88 g, 20 mmol）和溴乙酸（2.78 g, 20 mmol）溶于丙酮（30 mL），在60°C下反应24小时。反应结束后，通过过滤和洗涤得到白色固体产物1-羧甲基-3-乙烯基咪唑溴盐（CAVIMBr）。

Preparation and characterization

采用一锅法策略合成CMC/PAA/PIL离子导电水凝胶（图1a）。在Fe³⁺与TA协同自催化作用下，APS引发自由基聚合反应，促使AA与CAVIMBr交联聚合。同时，CMC通过氢键与金属配位作用形成动态物理交联网络，赋予水凝胶优异的机械性能与自修复能力。

Conclusion

综上所述，通过简单快速的策略成功合成了多功能CMC/PAA/PIL水凝胶。其合理的网络设计赋予材料增强的机械强度、卓越的自修复性、强粘附性和出色的抗冻性能。金属配位、氢键和静电相互作用等物理作用机制是其自修复与抗疲劳性能的关键。CMC的引入显著提升了水凝胶的机械性能与加工稳定性，而PIL的加入则有效提高了离子电导率并拓宽了其工作温度范围。该水凝胶在柔性超级电容器（151.9 F g^-1）和人体运动传感（GF=4.63, 500-850%）方面表现出优异性能，同时可作为生物电极稳定采集心电图（ECG）和肌电图（EMG）信号，展现了其在柔性电子与医疗健康领域的巨大应用潜力。