综述：导电聚合物水凝胶的合成与表征及其传感器和能量收集应用

这篇综述系统阐述了导电聚合物水凝胶（CPHs）的合成策略（如原位聚合、物理共混）、表征技术（SEM、FTIR、EIS）及其在柔性传感器（应变/生物传感器）和能源器件（超级电容器、热电系统）中的创新应用，突出了其兼具导电性（如PANI、PPy、PEDOT）与水凝胶柔韧性的独特优势。

　　

导电聚合物水凝胶：从合成到应用的跨界融合

引言

近年来，导电聚合物水凝胶（CPHs）作为融合导电聚合物（如聚苯胺PANI、聚吡咯PPy、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)PEDOT）与水凝胶特性的新型杂化材料，因其独特的导电性、高含水率和生物相容性，在柔性电子和能源领域引发研究热潮。这类材料通过克服传统导电聚合物的脆性缺陷，同时赋予水凝胶导电功能，为可穿戴设备和植入式系统提供了革命性解决方案。

合成策略：精准调控结构

原位聚合

通过氧化剂（如过硫酸铵APS或氯化铁FeCl₃）在预成型水凝胶中直接聚合单体，确保导电聚合物均匀分布。例如，苯胺在聚乙烯醇（PVA）网络中聚合形成的PANI-PVA水凝胶，展现出优异的电导率（10^-1–10⁰ S/cm）和拉伸性（应变>200%）。

物理共混与互穿网络

将导电聚合物纳米纤维（如PPy纳米线）与水凝胶基质物理混合，或构建互穿聚合物网络（IPNs），可显著提升机械强度。例如，PEDOT:聚苯乙烯磺酸盐（PSS）与聚丙烯酰胺（PAAm）形成的IPNs，兼具高导电性（~3 S/cm）和抗疲劳特性。

表征技术：多维度解析性能

形貌与结构分析

扫描电镜（SEM）揭示CPHs的多孔结构（孔径1–100 μm），而傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实聚合物间的氢键相互作用。X射线衍射（XRD）显示PANI水凝胶的结晶度提升，与其电导率正相关。

电化学与机械测试

电化学阻抗谱（EIS）量化离子扩散效率（低频区斜率>45°），动态机械分析（DMA）表明含PPy的水凝胶储能模量可达10⁵ Pa。溶胀实验显示pH响应性，如PAAm/PANI水凝胶在pH=2时溶胀比达15。

传感器应用：灵敏与柔性并存

应变与压力传感

基于裂纹扩展机制的PEDOT/藻酸盐水凝胶传感器，灵敏度（GF）高达8.9，可检测0.1%的微小应变。用于监测关节运动时，响应时间<100 ms，循环稳定性>5000次。

生物传感

葡萄糖氧化酶（GOx）嵌入PPy水凝胶构建的无创血糖传感器，线性范围1–20 mM（R²=0.99），抗干扰能力强。

能源器件：柔性储能新突破

超级电容器电极

PANI/石墨烯水凝胶电极的面电容达1,200 mF/cm²（电流密度1 mA/cm²），5000次循环后容量保持率>90%。其三维孔隙结构（BET比表面积~400 m²/g）促进快速离子传输。

热电系统

Seebeck系数达50 μV/K的PEDOT/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）水凝胶，可利用体热发电，功率密度~1 μW/cm²。

挑战与展望

尽管CPHs在实验室表现优异，但环境稳定性（如脱水导致的电导率衰减）和规模化生产仍是瓶颈。未来研究方向包括开发自修复型CPHs和优化卷对卷（roll-to-roll）制备工艺，以推动其商业化进程。

结语

CPHs通过巧妙的材料设计，成功弥合了电子器件与生物系统间的鸿沟。随着合成与表征技术的进步，这类材料有望在智能医疗、柔性机器人等领域开启全新应用范式。