電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)液對照表電導(dǎo)率單位

單位電導(dǎo)率(電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液對照表)聚合物科學(xué)前沿
背景介紹
【電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)液對照表電導(dǎo)率單位】離子液體具有高離子電導(dǎo)率、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性、寬電化學(xué)窗口和低蒸氣壓，非常適合各種類型的電池。但畢竟還是液體，會有滲漏的問題。離子液體聚合成聚合物或用離子液體改性聚合物鏈段可以將離子液體轉(zhuǎn)化為固體，但其引以為傲的高導(dǎo)電性大大降低。
如果離子液體能像固體一樣使用，既能保持離子液體的高電導(dǎo)率，又能避免泄漏的風(fēng)險，豈不是再完美不過了？顯然，離子液體的共價鍵固定不會起作用。
由于共價鍵不可行，離子液體可以直接包裹，于是離子凝膠應(yīng)運(yùn)而生。但是，材料的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度就像蹺蹺板的兩端，不可能一直一起提高。很多材料的機(jī)械強(qiáng)度甚至不能以MPa為單位。兩性離子共聚物組成的離子凝膠稍好，室溫下離子電導(dǎo)率約為1 ms·cm-1，壓縮彈性模量為幾MPa 。但是科學(xué)家總是在問，還有誰能做得更好？

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成果介紹
佐治亞理工學(xué)院的Vladimir V. Tsukruk教授通過使用纖維素納米晶體(CNC)和超支化聚合物離子液體(PIL)為1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺離子液體([EMIM][TFSI])打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。含95wt%離子液體后，CNC/PIL

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用氫鍵建立一個穩(wěn)定的家

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圖1 。CNC、PIL和[EMIM][TFSI]的化學(xué)結(jié)構(gòu)和離子凝膠形成示意圖。

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圖2 。(a)數(shù)控機(jī)床和(b)PIL的原子力顯微鏡圖像；c)CNC/PIL水溶液的凝膠行為；(四)中國網(wǎng)通/PIL的紅外光譜。
為了構(gòu)建能夠封裝離子液體的強(qiáng)基質(zhì)，研究人員以CNC和PIL為原料，CNC長度為167±59nm，直徑為6±1nm(如圖2a所示) 。當(dāng)水溶液中PIL濃度大于1.2wt%時，它會立即膠凝。當(dāng)濃度小于0.6重量%時，凝膠形成的速度減慢，如圖2c所示。這是因?yàn)殡S著PIL的加入，CNC的分子間氫鍵被破壞，CNC與PIL之間形成“藍(lán)移”氫鍵C-H π，導(dǎo)致快速凝膠化。

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圖3 。凝膠結(jié)構(gòu)示意圖和原子力顯微鏡圖像隨著CNC/PIL中PIL含量的增加而變化。
由于“藍(lán)移”氫鍵的形成，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著PIL含量從0.3%增加到1.2wt%，凝膠中的CNC也從向列相的各向異性排列轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲跃W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這為離子凝膠的下一步性能研究提供了基礎(chǔ) 。
壓縮彈性模型高達(dá)5.6兆帕。

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圖4 。(a)壓力下CNC/PIL離子凝膠結(jié)構(gòu)變化示意圖；典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；c)CNC/PIL離子凝膠的壓縮彈性模量(e)、屈服強(qiáng)度(σy)和75%應(yīng)變下的壓縮強(qiáng)度(σ75%)；(d)CNC/PIL離子凝膠的離子電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線；電導(dǎo)率在303和228 K時的真實(shí)部分..
首先，研究人員研究了離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。雖然離子液體的含量高達(dá)95wt%，但離子凝膠仍然是固體。隨著壓力的增加，凝膠的應(yīng)力在低應(yīng)變(線彈性區(qū))線性增加，在中應(yīng)變(平臺塌陷區(qū))呈現(xiàn)平臺，在高應(yīng)變(致密區(qū))急劇上升，如圖4、A、b所示。
如圖4c所示，凝膠在75%應(yīng)變(σ75%)下的壓縮彈性模量(e)和壓縮強(qiáng)度分別比沒有離子液體的樣品高一至兩個數(shù)量級。這是由于CNC、PIL和離子液體之間的靜電相互作用，形成離子締合并作為物理交聯(lián)提高凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。
隨著PIL含量的增加，離子凝膠的E從0.6增加到5.6 MPa，σy也從55增加到260 kPa，σ75%達(dá)到710-830 kPa(沒有PIL的凝膠只有320 kPa) 。
電導(dǎo)率達(dá)到7.8 ms·cm-1 。
為了評估離子凝膠的離子傳輸特性，研究人員利用寬帶介電譜(BDS)在較寬的溫度范圍內(nèi)分析了其DC電導(dǎo)率(如圖4d所示) 。發(fā)現(xiàn)不同PIL濃度的凝膠電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線相似:在高溫下表現(xiàn)出超阿倫尼烏斯行為，在離子液體結(jié)晶溫度附近突然下降，在低溫下表現(xiàn)出阿倫尼烏斯行為。無PIL的CNC凝膠的離子電導(dǎo)率為5.4 ms·cm-1，隨著PIL含量的增加，CNC/PIL的離子電導(dǎo)率從5.9提高到7.8 ms·cm-1，遠(yuǎn)高于PIL(6.44×10-2 ms·cm-1)，與[EMIM][TFSi](∑)相當(dāng)，這一結(jié)果說明凝膠的高電導(dǎo)率來源于離子液體，經(jīng)CNC和PIL包覆后仍然較高。
凝膠離子電導(dǎo)率高的原因

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圖5 。CNC/PIL離子凝膠形成機(jī)理示意圖。
研究人員解釋了CNC/PIL離子凝膠電導(dǎo)率高的原因:CNC、PIL和離子液體之間有許多相互作用。由于CNC和PIL帶負(fù)電荷，它們之間的相互作用是通過氫鍵實(shí)現(xiàn)的(如CNC上的O-H和C-H基團(tuán)與PIL咪唑環(huán)上的π+相互作用)，PIL也可以通過磺酸鹽端基與咪唑陽離子的靜電相互作用形成離子簇，產(chǎn)生物理交聯(lián)；隨著離子液體的加入，它們之間的相互作用更加豐富:離子液體的陽離子可以與PIL的磺酸鹽相互作用，離子液體的陰離子也可以與PIL的咪唑陽離子相互作用，離子液體的陰離子也可以與CNC的C-H或O-H形成氫鍵。
因此，研究人員認(rèn)為離子液體位于CNC/PIL界面，形成連續(xù)的離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，凝膠中豐富的納米孔也促進(jìn)了離子的快速平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。
總結(jié)
以CNC、PIL和[EMIM][TFSI]為原料，研究人員通過它們之間的氫鍵和靜電相互作用，構(gòu)建了一種高強(qiáng)度、高離子電導(dǎo)率的凝膠。當(dāng)PIL含量達(dá)到1.2wt%時，CNC在凝膠中形成各向同性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，離子凝膠的E達(dá)到5.6 MPa，σy增加到260 kPa，σ75%達(dá)到710-830 kPa，離子電導(dǎo)率高達(dá)7.8 ms·cm-1 。同時，材料的電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度都有所提高，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的離子液體復(fù)合材料，如下圖所示。