许建雄教授课题组《Chemical Engineering Journal》：兼顾柔韧性、抗冻性和光热响应性能的Mxene复合导电水凝胶在传感领域的多重应用
导电水凝胶由于其独特的化学、电子与机械特性等，在生物电子学中显示出巨大的潜力，有望成为生物电子领域中传统柔性导电材料的替代选择。近年来，基于导电水凝胶的柔性传感器在电子皮肤、人体运动监测和人机交互等领域的应用，引起了科研工作者们极大的研究兴趣。然而，制备兼具优异的机械性能、抗冻性能和光热转换性能的多功能导电水凝胶仍是一项挑战。湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授课题组近年来致力于高性能水凝胶材料的合成及在柔性传感器和摩擦纳米发电机中的应用，开展相关研究。近日，该研究团队成功利用二维过渡金属碳化物MXene和Ca2+的协同作用，开发了一种具有高导电性、优异机械性能、抗冻性以及光热转换性能的电子/离子复合水凝胶（KMGHCa）。基于该多功能水凝胶构建了高灵敏柔性应变传感器和自供电应变传感器用于人体运动监测、摩擦纳米发电机用于机械能收集以及近红外光-温度光热电探测器用于温度和近红外光的监测，未来在数字医疗、可穿戴人机界面和储能方面具有广阔的应用前景。相关成果“Mxene hybrid conductive hydrogels with mechanical flexibility, frost-resistance, photo thermoelectric conversion characteristics and their multiple applications in sensing”发表在2024年3月1日的Chemical Engineering Journal《化学工程杂志》期刊上。论文通讯作者是许建雄教授、许利剑教授和余茂林讲师，第一作者是侯孟娟。
KMGHCa水凝胶的结构和应用示意图：（a）各组分化学结构;（b）KMGHCa水凝胶的网络结构和内部相互作用;（c）基于KMGHCa水凝胶的多功能传感。
以Ca2+交联结冷胶（GG-Ca2+）为第一网络，聚（N-羟乙基丙烯酸酯）（PHEAA）为第二网络，3-（三甲氧基硅基）丙基甲基丙烯酸酯（KH570）修饰的MXene（K-MXene）纳米片为交联剂和功能性纳米填料，成功制备了一种具有高强韧、抗冻性和光-热-电响应性的电子/离子复合水凝胶（KMGHCa）。该水凝胶的多功能性主要源于MXene和Ca2+之间的协同作用。一方面，MXene既作为光热剂，在近红外光（NIR）照射下表现出优异的光热特性，又充当凝胶网络交联剂和导电填料的角色。另一方面，引入Ca2+进一步增强了水凝胶的机械强度、导电性和抗冻性。此外，生物相容性良好的多糖结冷胶（GG）在低浓度下即可快速凝胶化，而且其分子链中含有羧酸基团，能与Ca2+特异性结合形成Ca2+-COO-金属配位，促进GG的凝胶化。PHEAA具备柔韧性和弹性，PHEAA与GG之间的氢键作用，增强了水凝胶中聚合物链的缠结效应，赋予了水凝胶优异的机械性能。该多功能水凝胶在应变传感器、摩擦纳米发电机及近红外光-温度光热电探测器等领域具有广阔的应用前景。
通过加热-冷却-光聚合法，将Ca2+和MXene纳米片引入GG/PHEAA聚合物基体中，研究团队成功构建了一种具有高强韧、抗冻和光-热-电响应性的电子/离子复合导电水凝胶（KMGHCa）。引入的MXene赋予了水凝胶出色的光热特性，同时充当了交联剂和导电填料的角色。与此同时，所制备的水凝胶表现出优异的力学性能（拉伸应力为1008 kPa，拉伸应变为1463%）、导电性（2.07 S/m）和抗冻保湿性能。KMGHCa水凝胶构建的传感器具有宽传感范围（0-400%）、高灵敏度（GF高达4.40）和出色的光-热-电转换特性（光热转换效率为93.6%，热电灵敏度为-0.41 %/°C，光电响应度为9 mA/W），在运动监测、能量收集和温度检测等领域具有广阔的应用前景。
该工作得到了国家自然科学基金（Nos. 52174247，52374387）、国家自然科学基金（U23A20138）、湖南省自然科学基金（2023JJ40264）和湖南省教育厅科研基金（23A0430）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149299
