基本信息
- 项目名称：
- 导电高分子水凝胶的控制合成与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 导电高分子水凝胶结合了导电高分子与水凝胶两方面性能，在许多方面具有潜在应用前景。但导电高分子不溶不熔，故目前合成其水凝胶仍面临严峻挑战。申报的作品提供了一种导电高分子水凝胶的快速制备方法，并揭示其独特的二维结构单元及电势依赖的凝胶－溶胶转变等重要科学规律。申请人的发现对设计、合成其它新型的导电高分子水凝胶有很好的借鉴意义。另外，获得的水凝胶也具有广泛的应用前景。
- 详细介绍：
- 电子导电水凝胶（ECHs）结合了导电高分子与水凝胶两方面特点，在化学模仿神经网络、生物识别膜、电刺激药物释放、神经修复等方面显示出很好的应用前景，因而吸引了大量研究者的注意。ECHs的一种合成方法是，将导电高分子作为分散相，镶嵌或接枝在非导电的基体上，例如离子交联的聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT-PSS）水凝胶、壳聚糖接枝聚苯胺水凝胶等等。然而，与导电高分子作为连续相的导电高分子水凝胶（CPHs）相比，电子传输微区被非导电基体分隔开的复合ECHs的性能较差。时至今日，CPHs的合成仍是一大挑战，这是由于导电高分子普遍不存在亲水基团且主链僵硬，故水溶性很差造成的。不久前，聚苯胺水凝胶和聚噻吩水凝胶的合成已被报道。遗憾的是，这两篇报道中涉及到的合成方法都必须用到繁琐的化学交联，才能将线性导电高分子构筑成CPHs的三维网络。 本项目以一种带磺酸根的乙撑二氧噻吩衍生物（EDOT-S）为起始单体，通过氧化聚合与非共价交联的有机结合，原位合成了CPHs，过硫酸铵与氯化铁两种氧化剂搭配使用，将产生显著的协同效应。实时冷冻透射电镜（cryo-TEM），扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）的表征，显示CPHs三维聚集体具有独特的层状结构单元。标准电极电势大于0.8 V的氧化剂，将使得凝胶因过氧化作用而降解，这赋予CPHs化学电势依赖的凝胶-溶胶转变性质。电导率与流变学性能测试结果表明，获得的导电高分子水凝胶具有优异的电学性能与机械性能。这些获得的导电高分子水凝胶在众多领域，如化学模拟神经网络、电刺激药物释放、化学传感器等方面将有很广泛的应用前景。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：导电高分子水凝胶结合了导电高分子与水凝胶两方面性能，在许多方面具有潜在应用前景。但导电高分子不溶不熔，故目前合成其水凝胶仍面临严峻挑战。本工作旨在为导电高分子水凝胶的合成提供一新方法与思路。 基本思路：采用分子设计，合成出两亲性的导电高分子单体，在聚合的过程中，利用各种弱相互作用，同步实现导电高分子的非共价交联。对所得导电高分子水凝胶进行结构与理化性能表征，并探索其应用性能。
科学性、先进性及独特之处
- (1)根据文献报道的方法合成出两亲性的聚噻吩衍生物EDOT-S，并首次观测到其显著的光致发光（荧光）现象； (2)首次合成出以二维纳米材料为结构单元的有机导电高分子水凝胶； (3)首次观测到导电高分子水凝胶的氧化电势依赖的凝胶-溶胶转变现象； (4)发展了一种新型方法，合成出导电高分子气凝胶。
应用价值和现实意义
- (1)提供了一种简单、快速且通用的导电高分子水凝胶的合成方法； (2)利用导电高分子水凝胶的化学电势依赖的凝胶-溶胶转变有望制备出强氧化剂的传感器； (3)获得的导电高分子水凝胶有望在化学模仿神经网络、电刺激的药物释放等领域得到广泛应用； (4)由导电高分子水凝胶转变而成的导电高分子气凝胶有望在染料的选择性吸附、电化学电容器等领域得到广泛应用。
学术论文摘要
- 采用氧化聚合两亲性噻吩衍生物及非共价交联的”一步法”并用技术，合成出具有二维结构单元的导电高分子水凝胶。水凝胶在标准电极电势大于0.8 V的氧化剂作用下发生解体，显示出电势依赖的凝胶-溶胶转变现象。 Conducting polymer hydrogels with unusual 2D building blocks were synthesized via combination of oxidative coupling polymerization and non-covalent crosslinking of an amphiphilic thiophene derivative in one step. Chemicals with standard electrode potentials higher than 0.8 V trigger disband of the resulting conducting polymer hydrogels, indicating potential dependent gel-sol transitions.
获奖情况
- 与之相关的部分研究成果已经发表于英国皇家化学会主办的国际权威杂志Chemical Communications （SCI影响因子：5.5） Ran Du, Yangzi Xu, Yunjun Luo, Xuetong Zhang*, Jin Zhang, Synthesis of Conducting Polymer Hydrogels with 2D Building Blocks and Its Potential Dependent Gel-Sol Transitions, Chemical Communications, 2011, DOI: 10.1039/C1CC10915D, Published online as Advance Article
鉴定结果
- 本项目的研究水平达到国际一流。
参考文献
- [1]Mano, N.; Yoo, J.E.; Tarver, J.; Yueh-Lin, L.; Heller A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 7006-7007. [2]Chen, L.; Kim, B.S.; Nishino, M.; Gong, J.P.; Osada Y. Macromolecules 2000, 33, 1232-1236. [3]Karlsson, R. H.; Herland, A.; Hamedi, M.; Wigenius, J. A.; Åslund, A.; Liu, X.; Fahlman, M.; Inganäs, O.; Konradsson, P. Chem. Mater. 2009, 21, 1815 – 1821. [4]Nayak, S.; Lyon, L.A. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7686-7708. [5]Barsch, U.; Beck, F. Electrochimica Acta 1996, 41, 1761-1771. [6]A. Guiseppi-Elie, Biomaterials 2010, 31, 2701-2716.
同类课题研究水平概述
- 导电高分子水凝胶由于结合了导电高分子与水凝胶各自独特的性能，因而有望在生物材料领域、可移植的生物传感器、电刺激的药物释放器件、神经修复等方面得到广泛的应用。然而目前文献所报道的导电高分子水凝胶一般都是把导电高分子填充到其它水凝胶基体中所获得的水凝胶的共混物，只有寥寥可数的3篇文献报道了真正意义上的导电高分子水凝胶，但都存在这样或者那样的问题： Osada等人以己二酰肼为交联剂，以N,N-二环己基碳二亚胺为缩聚剂在二甲基亚砜溶剂中直接化学交联聚噻吩乙酸，首先制备了聚噻吩的有机凝胶，然后再用水置换出有机溶剂二甲基亚砜，得到了聚噻吩的水凝胶（Macromolecules, 2000, 33, 1232）。然而采用该方法制备的导电高分子水凝胶需要使用有机溶剂；Mano等人以聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)为掺杂剂，原位聚合生成了水溶性的聚苯胺，然后再以聚乙二醇缩水甘油醚作为交联剂，化学交联了掺杂态的聚苯胺因而首次制备出了聚苯胺的水凝胶（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7006）。然而我们跟论文的作者直接交流并试图重复该作者的工作，但遗憾的是，根据该作者的实验步骤，我们不能得到聚苯胺的水凝胶，这至少说明采用他们的方法合成导电高分子水凝胶的重复性较差；南京大学陆云教授等报道了大分子聚苯乙烯磺酸钠掺杂的聚(3,4)-乙撑二氧噻吩（PEDOT-PSS）的超分子水凝胶，并通过实验验证了多价金属阳离子交联的超分子自组装机理（Chem. Commun., 2008, 4279）。然而，我们的研究结果表明，在这样的超分子水凝胶中，含有大量不导电子的聚苯乙烯磺酸钠，造成以该水凝胶为前驱体制备的导电高分子气凝胶不具有电化学电容性能，且这样的水凝胶体系，与把导电高分子填充到水凝胶基体中制备的水凝胶共混物并无实质性的区别。 这些研究现状表明，开发真正意义上的并满足实际应用需求的导电高分子水凝胶，仍然是一件非常有挑战性的工作。而本项目提出的从水溶性导电高分子出发，通过离子间相互作用、氢键相互作用、π-π堆积作用以及这些相互作用间的协同效应则有望制备出真正意义的导电高分子水凝胶并赋予这些水凝胶一些特定的功能。
