基于Al/Zn双金属盐溶液构建三网络离子水凝胶传感器：从纤维素溶剂到导电网络架构的创新策略

本综述系统阐述了以Al/Zn双金属盐溶液为纤维素溶剂和导电介质，通过一锅法构建聚丙烯酸（PAA）/溶解纤维素（dCel）/芳纶纳米纤维（ANF）三网络离子水凝胶的创新策略。该水凝胶兼具高机械强度（431.80 kPa）、优异导电性（13.74 S/m）、抗冻性、保湿性和抗菌功能，突破了传统离子导体在柔性传感器应用中机械性能与导电性难以兼顾的瓶颈，为可穿戴设备（e-skins）提供了多模式（应变/压力/温度）传感新平台。

　　

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Materials

芳纶浆粕购自杜邦中国控股有限公司，六水合氯化铝（AlCl₃·6H₂O）（分析纯，≥98.0%）和氯化锌（ZnCl₂）（分析纯，≥98.0%）购自化学试剂有限公司，丙烯酸（AA）（分析纯，≥99.0%）由上海麦克林生化科技有限公司提供，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）（分析纯，≥99.0%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，过硫酸铵（APS）（分析纯，≥98.0%）购自上海试剂有限公司。

Rational design of PCA/AlCl₃-ZnCl₂ ion-conductive hydrogels

本研究设计了一种兼具增强机械强度、导电性、抗冻性、保水能力和抗菌活性的多功能离子导电水凝胶，用于柔性传感器领域。全过程示意图如图1所示。首先，通过将粉碎的浆粕溶解于AlCl₃/ZnCl₂金属盐溶液中制备均质dCel溶液（图1a）。由于Al³⁺/Zn²⁺的摩尔比协同效应，该溶液展现出独特的纤维素溶解能力，同时通过离子水合作用实现dCel与ANF的均匀分散。更重要的是，金属盐在室温下激活APS产生硫酸根自由基（SO₄^?•），引发AA快速聚合形成PAA网络。PAA链上的羧基（–COOH）与dCel、ANF之间通过物理缠绕和氢键相互作用构建三重网络结构，而Al³⁺/Zn²⁺离子不仅作为导电介质，还通过与聚合物链的配位作用增强网络稳定性。

Conclusions

总之，我们利用Al³⁺/Zn²⁺双金属离子溶液实现了纤维素溶解，并同步激活APS产生自由基，通过室温一步法自由基聚合快速合成PCA/AlCl₃-ZnCl₂多功能离子导电水凝胶。该水凝胶中多空间分布的氢键设计显著提升了机械性能与能量耗散效率，而高浓度双金属盐溶液不仅赋予其卓越的离子电导率（13.74 S/m），还通过降低水分子冰点实现了抗冻特性（-20℃仍保持柔韧性）。此外，Zn²⁺的抗菌特性使水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率超99.9%。基于这些优势，该水凝胶在应变/压力/温度多模式传感中展现出高灵敏度（应变系数GF=2.45）和稳定性，成功应用于人体运动监测（如指关节弯曲、吞咽动作）。本研究为开发新一代柔性传感设备提供了材料设计与功能集成的新范式。