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电导率单位（电导率标准液对照表）

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发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

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电导率单位(电导率标准溶液对照表)高分子科学前沿

背景介绍

离子液体具有较高的离子电导率、较高的化学和热稳定性、较宽的电化学窗口和较低的蒸气压，因此非常适用于各种类型的电池。但毕竟还是液体，会有渗漏的问题。将离子液体聚合成聚合物或用离子液体修饰聚合物链段，可以将离子液体变成固体，但其引以为傲的高导电性却大打折扣。

如果离子液体能像固体一样使用，既能保持离子液体的高导电性，又能避免泄漏的风险，那岂不是完美？显然，通过共价键固定离子液体是不可行的。

由于共价键合不可行，所以要直接包覆离子液体，于是离子凝胶应运而生。而材料的导电性和机械强度就像跷跷板的两端，不可能一直一起提高，很多材料的机械强度甚至不能用MPa作为单位。两性共聚物组成的离子凝胶略好。室温下的离子电导率约为1 mscm-1，压缩弹性模量为数MPa。但是科学家总是在问，还有谁能做得更好？

成就介绍

佐治亚理工学院的Vladimir V. Tsukruk教授通过使用纤维素纳米晶体(CNC)和超支化聚合物离子液体(PIL)，为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺离子液体([EMIM][TFSI])做了一个坚固的“家”。含高达95wt%离子液体后，CNC/PIL

用氢键构建稳定的“家”

1.CNC、PIL和[EMIM][TFSI]的化学结构及离子凝胶形成示意图。

2.(a) CNC和(b)PIL的AFM图像；(c)c)CNC/PIL水溶液的凝胶行为；(d)CNC/PIL的FTIR光谱。

为了构建一种能够包裹离子液体的固体基质，研究人员使用了CNC和PIL作为原料。CNC的长度为16759nm，直径为61nm(如图2a所示)。当PIL在水溶液中的浓度大于1.2wt%时，会立即胶凝；当浓度小于0.6重量%时，凝胶形成速率变得缓慢，如图2c所示。这是因为随着PIL的加入，CNC分子间的氢键被破坏，CNC与PIL之间形成了“蓝移”的氢键C-H ，导致快速凝胶化。

图3。CNC/PIL中PIL含量增加时凝胶结构变化示意图和AFM图像。

由于“蓝移”氢键的形成，研究人员发现，随着PIL含量从0.3%增加到1.2wt%，凝胶中的CNC也从向列相的各向异性排列转变为各向同性的网络结构，这为离子凝胶发挥其下一步性能提供了基础。

弹性模型高达5.6 MPa。

图4。(a)CNC/PIL离子凝胶在压力下结构变化示意图；典型的压缩应力-应变曲线；(c)c)CNC/PIL离子凝胶的压缩弹性模量(E)、屈服强度(y)和在75%应变下的压缩强度(75%)；(d)CNC/PIL离子凝胶的离子电导率随温度的曲线；(e-f)电导率在303和228 K的实部。

首先，研究了离子凝胶的机械强度。虽然离子液体的含量高达95wt%，但离子凝胶仍然是固体。随着压力的增加，凝胶的应力在低应变(线弹性区)呈线性增加，在中等应变(平台塌陷区)呈现平台，在高应变(致密区)急剧上升，如图4a和4b所示。

如图4c所示，凝胶的压缩弹性模量(E)和75%应变下的压缩强度(75%)分别比没有加入离子液体的样品高一至两个数量级。这是由于CNC、PIL和离子液体之间的静电相互作用，形成离子缔合，作为物理交联提高了凝胶的机械强度。

随着PIL含量的增加，离子凝胶的E从0.6增加到5.6 MPa，y也从55增加到260 kPa，75%达到710-830 kPa(不含PIL的凝胶只有320 kPa)。

电导率达到7.8 mscm-1。

为了评估离子凝胶的离子传输特性，研究人员使用宽带介电谱(BDS)分析了其在宽温度范围内的DC电导率(如图4d所示)。发现不同PIL浓度的凝胶电导率随温度变化的曲线相似：在高温时表现出超阿伦尼乌斯行为，在离子液体结晶温度附近突然下降，低温时表现出阿伦尼乌斯行为。不含PIL的CNC凝胶的离子电导率为5.4 mscm-1。随着PIL含量的增加，CNC/PIL的离子电导率从5.9增加到7.8 mscm-1，远高于PIL(6.4410-2 mscm-1)，与[EMIM][TFSi] (这一结果说明凝胶的高电导率来源于离子液体，经CNC和PIL包覆后电导率仍然很高。

凝胶离子电导率高的原因

图5。CNC/PIL离子凝胶形成机理示意图。

研究人员解释了CNC/PIL离子凝胶电导率高的原因：CNC、PIL和离子液体之间存在许多相互作用。由于CNC和PIL都带负电荷，它们之间的相互作用是通过氢键实现的(如CNC上的O-H和C-H基团，PIL咪唑环上的相互作用)。PIL也可以通过磺酸酯端基和咪唑阳离子之间的静电相互作用形成离子簇，从而产生物理交联。随着离子液体的加入，它们之间的相互作用更加丰富：离子液体的阳离子可以与PIL的磺酸根相互作用，离子液体的阴离子可以与PIL的咪唑阳离子相互作用，离子液体的阴离子可以与CNC的C-H或O-H形成氢键。

因此，研究人员认为离子液体位于CNC/PIL的界面上，

形成了连续的离子传导网络，凝胶中丰富的纳米孔也促进了离子快速和畅通的传输。

小结

研究者以CNC、PIL和[EMIM][TFSI]为原料，通过三者之间的氢键和静电相互作用构建了一种高强度、高离子电导率的凝胶。当PIL含量达到1.2wt%时，CNC在凝胶中形成了各向同性的网状结构，离子凝胶的E达到了5.6 MPa，σy提高到了260 kPa，σ75%达到了710-830 kPa，离子电导率更是高达7.8 ms·cm-1，同时提高了材料的电导率和机械强度，远超现有的离子液体复合材料，如下图所示。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103083

来源：高分子科学前沿

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