汤建教授课题组《Royal Society of Chemistry》：一种基于超韧、高离子电导率超级电容器和快速自恢复完全物理交联双网络水凝胶

近年来，出现了许多先进的智能电子设备，如电子皮肤、软机器人、机器人等灵活的传感器。其中，柔性传感器将复杂的外部机械力转化为易于采集的电信号，在人体健康和运动监测领域引起了广泛关注。然而，柔性传感器通常需要一个外部固态电源保持稳定的信号输出，与固态电源存在着巨大的模量差异这对柔性传感器的集成、便携性和应用极为不利。因此，有必要设计具有与柔性传感器相似模量的柔性电源然后将它们与柔性传感器组装在一起，形成自供电的柔性传感系统，这对于促进柔性传感器的集成化、便携性和应用是必要的。

2022年10月，湖南工业大学生命科学与化学学院汤建新课题组在英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry)杂志发表了题为“一种基于超韧、高离子电导率超级电容器和快速自恢复完全物理交联双网络水凝胶 (A self-powered flexible sensing system based on a super-tough, high ionic conductivity supercapacitor and a rapid self-recovering fully physically crosslinked double network hydrogel) ”的研究论文。该论文报道了一种基于超韧、高离子电导率超级电容器和快速自恢复完全物理交联双网络水凝胶，可以用于制备水凝胶应变传感器和柔性固态超级电容器。为提高水凝胶柔性传感器的集成度、便携性和应用提供了新的思路，可以拓宽水凝胶在新能源领域的应用。

研究人员采用聚乙烯醇（PVA）、氯化钠（NaCl）和N-羟乙基丙烯酰胺（HEAA） 合成了具有优异机械性能 （拉伸应力/应变 3.76 MPa/872.15%）、高离子电导率（1.3 S /m 的完全物理交联双网络水凝胶 PNH DN 水凝胶）和快速自恢复（休息 10 min 后能量耗散/峰值应力恢复效率为 57.08%/99.06%）。基于 PNH DN 水凝胶，分别制备了水凝胶应变传感器和柔性固态超级电容器。基于 PNH DN 水凝胶的水凝胶应变传感器具有良好的灵敏度 （标距系数 = 1.74）、检测范围宽 （0–735%） 和可忽略不计的响应延迟时间 （0.06 s），有助于及时可靠地检测各种机械变形。同时，基于 PNH DN 水凝胶的超级电容器的面电容为 2.9 mF•m^-2，高循环稳定性（在 0.5 mA•cm^-2 的电流密度下进行 2000 次恒流充放电循环后，面电容保持率为 85.71%）和机械稳定性（循环伏安曲线在 0°、45°、90°、135° 和 180° 弯曲下几乎重叠）。最后，将水凝胶应变传感器和超级电容器集成到一个自供电的柔性传感系统中，该系统可以稳定有效地检测人体运动，如手指弯曲、颈部弯曲和皱眉。

图1完全物理交联的PNH DN水凝胶的合成过程。

图 2自供电柔性传感系统性能。

湖南工业大学生命科学与化学学院汤建新教授混合龚亮副教授为论文的共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金（51774128）的资助。