《Journal of Molecular Liquids》：Characterization of hydrogels derived from sodium-based hydrophobic eutectic solvents by experimental and computational analysis
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•羧酸/羧酸钠/水的三元混合物能够形成凝胶。•对这些凝胶进行了物理化学特性分析。•分子动力学研究能够在分子水平上检测到一些凝胶特性。•尽管凝胶粘度很高，但其导电性仍高于传统的电解质（ES）。•在酸链和盐链之间存在2个碳原子差的系统中，能够获得更强的凝胶。引言为了实现向低碳能源的过
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羧酸/羧酸钠/水的三元混合物能够形成凝胶。
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对这些凝胶进行了物理化学特性分析。
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分子动力学研究能够在分子水平上检测到一些凝胶特性。
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尽管凝胶粘度很高，但其导电性仍高于传统的电解质（ES）。
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在酸链和盐链之间存在2个碳原子差的系统中，能够获得更强的凝胶。
引言
为了实现向低碳能源的过渡，科学界正致力于开发更耐用、更灵活、更高效的储能设备[1],[2],[3],[4]。目前，锂金属是电池和电容器中的主要成分，但其有限的可用性和可获取性促使人们寻找可能的替代品[5]。
在这种探索更可持续的储能解决方案的背景下，评估电解质的替代材料变得十分必要。已经研究了三种不同类型的液态电解质：水性电解质，但它们通常具有较窄的电化学稳定窗口（仅限于1.2伏特）[6]；有机电解质，通常具有挥发性、毒性和易燃性[7]；以及离子液体，它们具有较高的电化学稳定性和低挥发性，但往往价格昂贵且粘度较高[8]。
深共晶溶剂（DESs）最近作为一种替代离子液体的新材料出现。它们通常是通过将氢键受体（HBA）与氢键供体（HBD）结合而获得的[9]。与离子液体相比，这些材料更容易合成、成本更低且对环境更安全[9],[10],[11]。此外，通过选择合适的HBA和HBD，可以根据具体应用调整DESs的特性。DESs已被研究用于超级电容器中，既可以作为二元混合物（通常涉及金属盐）[10]，也可以作为三元混合物[11]，并取得了有希望的结果。
疏水性共晶溶剂（HES），例如由脂肪酸混合物组成[12]，是DES的一个子类，具有有趣的应用前景。由于它们与水接触时稳定，因此被广泛用作水溶液中各种溶质的萃取溶剂[13],[14],[15],[16],[17]。它们的性质可以根据组分的性质进行调整。因此，在其组成中引入金属盐可以多样化它们的性能，因为金属离子和有机组分的烷基链长度对系统的行为有显著影响[18],[19],[20]。
研究表明，由十二烷酸钠和癸酸按一定比例与水混合形成的HES能够形成稳定的凝胶，并且这些凝胶具有热可逆性[21]。一般来说，这些半固态材料[22]在保持某些液态优势特性的同时可以表现出固态行为，并且在柔性健康和环境传感器[23]、组织工程以及膜材料或药物输送系统[24]方面有许多相关应用。在这些系统中，它们可以被视为金属氢凝胶。一方面，由于其溶剂（水）的特性，它们的应用范围得到了扩展，因为水的存在提高了生物相容性。另一方面，水和金属离子的同时存在促进了盐的溶解和移动性，从而在保持半固态一致性的同时促进离子传输。如果氢凝胶打算用作电池中的电解质，这些特性至关重要，因为它们结合了高导电性和防止泄漏的能力、灵活性以及机械完整性[2],[25]。此外，使用低分子量凝胶剂（LMWGs）代替聚合物链[26]可以使这些凝胶具有更高的多功能性和对外部刺激的响应性[27]。它们还价格低廉、制备简单、柔韧，并且应能够结合一致性和离子流动性。
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羧酸/羧酸钠/水的三元混合物能够形成凝胶。
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对这些凝胶进行了物理化学特性分析。
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分子动力学研究能够在分子水平上检测到一些凝胶特性。
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尽管凝胶粘度很高，但其导电性仍高于传统的电解质（ES）。
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在酸链和盐链之间存在2个碳原子差的系统中，能够获得更强的凝胶。
引言
为了实现向低碳能源的过渡，科学界正致力于开发更耐用、更灵活、更高效的储能设备[1],[2],[3],[4]。目前，锂金属是电池和电容器中的主要成分，但其有限的可用性和可获取性促使人们寻找可能的替代品[5]。
在这种探索更可持续的储能解决方案的背景下，评估电解质的替代材料变得十分必要。已经研究了三种不同类型的液态电解质：水性电解质，但它们通常具有较窄的电化学稳定窗口（仅限于1.2伏特）[6]；有机电解质，通常具有挥发性、毒性和易燃性[7]；以及离子液体，具有较高的电化学稳定性和低挥发性，但往往价格昂贵且粘度较高[8]。
深共晶溶剂（DESs）最近作为离子液体的替代品出现。它们通常是通过将氢键受体（HBA）与氢键供体（HBD）结合而获得的[9]。与离子液体相比，这些材料更容易合成、成本更低且对环境更安全[9],[10],[11]。此外，通过选择适当的HBA和HBD，可以根据具体应用调整DESs的特性。DESs已被研究用于超级电容器中，既可以作为二元混合物（通常涉及金属盐）[10]，也可以作为三元混合物[11]，并取得了有希望的结果。
疏水性共晶溶剂（HES），例如由脂肪酸混合物组成[12]，是DES的一个子类，具有有趣的应用前景。由于它们与水接触时稳定，因此被广泛用作水溶液中各种溶质的萃取溶剂[13],[14],[15],[16],[17]。它们的性质可以根据组分的性质进行调整。因此，在其组成中引入金属盐可以多样化它们的性能，因为金属离子和有机组分的烷基链长度对系统的行为有显著影响[18],[19],[20]。
研究表明，由十二烷酸钠和癸酸按一定比例与水混合形成的HES能够形成稳定的凝胶，并且这些凝胶具有热可逆性[21]。一般来说，这些半固态材料[22]在保持某些液态优势特性的同时可以表现出固态行为，并且在柔性健康和环境传感器[23]、组织工程以及膜材料或药物输送系统[24]方面有许多相关应用。在这些系统中，它们可以被视为金属氢凝胶。一方面，由于其溶剂（水）的特性，它们的应用范围得到了扩展，因为水的存在提高了生物相容性。另一方面，水和金属离子的同时存在促进了盐的溶解和移动性，从而在保持半固态一致性的同时促进离子传输。如果氢凝胶打算用作电池中的电解质，这些特性至关重要，因为它们结合了高导电性和防止泄漏的能力、灵活性以及机械完整性[2],[25]。此外，使用低分子量凝胶剂（LMWGs）代替聚合物链[26]可以在这些凝胶中提供更高的多功能性和对外部刺激的响应性[27]。它们还价格低廉、制备简单、柔韧，并应结合一致性和离子移动性。
另一方面，尽管这些材料在其结构中包含水，但水分子并非“自由”的，因此水的活性有所降低，这可能会抵消电化学稳定性较低的不利影响[28]。向共晶盐混合物中添加水预计可以提高系统的导电性，同时降低粘度并降低冰点[28]。
Florindo等人[21]在研究中制备和表征的氢凝胶仅基于一种羧酸/羧酸盐组合：癸酸/十二烷酸钠。然而，在该研究中，没有研究凝胶的导电性、物种迁移性和微观结构。因此，当前的研究通过研究Soares等人[29]之前研究的HES与水混合形成的系统，扩展了对基于钠的HES衍生物的研究。这些HES由己酸钠或十二烷酸钠与三种脂肪酸中的一种组合而成：辛酸、壬酸或癸酸[29]。预期所得的氢凝胶将展现出多样的结构和机械性能，这些性能不仅受HES选择的影响，还受HES与水比例变化的影响。本研究的主要目标是全面了解基于钠的氢凝胶的物理化学性质，包括导电性、流变性和扩散系数的测定。此外，我们使用分子动力学模拟进一步深入理解了它们的组装特性、结构和相互作用。通过这些研究，我们旨在提供有助于开发类似HES基氢凝胶的见解，并选择最适合用作电池或电容器电解质的候选者。
章节片段
材料
羧酸盐是使用脂肪酸（具体为己酸和十二烷酸）和氢氧化钠作为反应物制备的。三元混合物中的脂肪酸包括辛酸（C8）、壬酸（C9）和癸酸（C10）。表1列出了本研究中使用的所有化学化合物的清单、来源和纯度。这些材料没有进行进一步的纯化处理。使用的是通过双蒸馏制备的超纯水
氢凝胶的形成与稳定性评估
首先，研究了基于钠的疏水性共晶溶剂形成氢凝胶的能力。目的是建立包含水和相应共晶溶剂的三元系统，从而形成均匀的氢凝胶。如图2所示，除了NaC6:C10三元系统外，形成的氢凝胶均通过了玻璃小瓶倒置测试，表明了它们的稳定性。每种氢凝胶的含水量是通过确定加入的水量来获得的
结论
实验研究了基于钠的共晶溶剂衍生的氢凝胶的形成和物理化学性质，并通过分子动力学模拟（MD模拟）对NaC6:C8、NaC12:C9和NaC12:C10氢凝胶进行了进一步分析。结果强调了系统组成，特别是酸分子和盐分子之间的烷基链长度差异，在决定氢凝胶的稳定性和性质方面的作用。
研究发现，酸链和盐链之间相差两个碳原子时...
CRediT作者贡献声明
Mariana H. Moreira：撰写——初稿、研究、数据整理。Luís C. Branco：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、形式分析。Isabel M. Marrucho：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、形式分析、概念化。Luís F.G. Martins：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法学、研究、形式分析、概念化。
利益冲突声明
致谢
该工作得到了UIDB/50006/2020 | UIDP/50006/2020项目的资助，该项目由FCT/MCTES通过国家资金支持。我们感谢ICT（埃武拉中心）提供的计算设施。我们还要感谢埃武拉大学计算机科学系的Pedro Salgueiro博士提供的技术支持。M. H. Moreira感谢葡萄牙科学技术基金会（Funda??o para a Ciência e Tecnologia）提供的2021.06620.BD奖学金。
Mariana H. Moreira|Luís C. Branco|Isabel M. Marrucho|Luís F.G. Martins
