无催化剂工程化构建高性能纤维素离子凝胶用于先进离子电子器件

推荐：本研究针对传统离子凝胶机械强度不足的难题，创新性地采用无催化剂化学交联策略，通过离子液体(IL)原位催化纤维素与戊二醛(GA)反应，开发出拉伸强度达11 MPa、电导率29.1 ms/cm的强韧纤维素离子凝胶(RCI)。该材料在0.1-100 kPa宽压力范围内展现线性压电响应，为可穿戴设备和人机交互提供了新型可持续解决方案。

　　

在物联网(IoT)时代，柔性电子器件的发展面临材料机械性能与导电性难以兼顾的瓶颈。传统离子凝胶虽具有优异的离子导电性，但其较弱的机械强度（通常<3.5 MPa）严重限制了实际应用。更棘手的是，现有增强策略多依赖外加化学催化剂，不仅工艺复杂，残留催化剂还会影响材料性能。这一矛盾促使科学家们寻求更绿色高效的解决方案。

福建农林大学材料工程学院/国家林业和草原局植物纤维功能材料重点实验室的研究团队在《Journal of Bioresources and Bioproducts》发表的研究中，巧妙利用离子液体(IL)的双重功能——既作溶剂又作质子源，成功开发出无催化剂参与的强韧纤维素离子凝胶(RCI)。通过[AMIM]Cl离子液体提供质子催化纤维素羟基与戊二醛(GA)醛基的交联反应，构建了化学键合网络，使材料拉伸强度提升1000%至11 MPa， toughness达2.8 MJ/m³，同时保持29.1 ms/cm的高电导率。

研究采用的关键技术包括：Kamlet-Taft溶剂化色谱法测定IL质子活性；二维相关光谱(2DCOS)解析反应序列；小角X射线散射(SAXS)表征微观结构演变；电化学阻抗谱(EIS)评估离子电导率；以及定制化压力传感系统测试压电性能。

【材料制备与表征】

通过将纤维素、[AMIM]Cl和GA在85°C混合反应，成功构建化学交联网络。核磁共振(13C NMR)在5.8×10^-5处出现新峰，XPS显示C-O-C键含量从43%增至56%，证实交联反应发生。SAXS显示RCI电子密度差增大，说明相分离域形成。

【力学性能】

RCI展现出惊人机械性能：拉伸强度11 MPa是原始CI的10倍；压缩强度7 MPa；可承受500倍自重持续加载。其秘密在于化学交联网络与氢键的协同作用，2D SAXS证实了更致密的微观结构。

【离子电子应用】

RCI的压电响应具有超宽线性范围(0.1-100 kPa)，电压变化率仅1.1 mV/s（10kg负载），远优于传统PAA/PANI凝胶。4×4传感器阵列实现克级精度检测，平均绝对误差趋近于0。实际应用中，成功实现步态分析、Morse码通讯，并点亮60个LED超过5000秒。

这项研究突破了"高强度必牺牲导电性"的传统认知，开创性地利用IL固有质子实现无催化剂交联。其意义不仅在于创纪录的力学性能（超越多数纳米纤维素材料），更建立了"结构稳定性-离子传输-压电响应"的构效关系，为设计新一代可持续离子电子器件提供了范式。特别值得注意的是，该策略可推广至其他天然高分子体系，在柔性电子、医疗监测等领域具有广阔前景。