基于多重动态非共价相互作用的高性能聚乙烯醇纳米复合水凝胶及其在摩擦电纳米发电机中的应用
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四川大学高分子科学与工程学院 先进高分子材料全国重点实验室,四川 成都 610065

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国家自然科学基金资助项目(52203027,52473238);四川省科技计划项目(2024NSFSC0245)


High-Performance Poly(vinyl alcohol) Nanocomposite Hydrogel Based on Multiple Dynamic Noncovalent Interactions and Its Application in Triboelectric Nanogenerators
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    摘要:

    针对摩擦电纳米发电机中水凝胶电极在力学稳定性、低温导电性及界面可靠性方面难以协同提升的问题,本文构建了一种基于多重动态非共价相互作用的聚乙烯醇(PVA)-聚乙烯亚胺(PEI)-植酸(PA)-蒙脱土(MMT)纳米复合水凝胶。通过在PVA冻融网络中协同引入PEI、PA及MMT纳米片,形成多层次动态物理交联结构,实现了水凝胶多性能的协同优化。结果表明,该水凝胶具有优异的力学性能(断裂应力达0.69 MPa)、较高的离子电导率(室温约2.5 S/m),并在-20 ℃下仍保持良好的柔韧性与稳定导电性(约2.3 S/m)。同时,水凝胶对多种基材表现出普适且稳定的黏附性能,并具备一定的自修复能力。基于该水凝胶构建的摩擦电纳米发电机展现出稳定的电输出性能与良好的循环耐久性,为高性能抗冻导电水凝胶的设计及其在柔性自供能器件中的应用提供了新的思路。

    Abstract:

    To address the longstanding challenge of simultaneously enhancing mechanical stability, low-temperature ionic conductivity, and interfacial reliability of hydrogel electrodes for triboelectric nanogenerators (TENGs), a poly(vinyl alcohol) (PVA)-polyethyleneimine (PEI)-phytic acid (PA)-montmorillonite (MMT) nanocomposite hydrogel based on multiple dynamic noncovalent interactions was developed. By synergistically introducing PEI, PA, and MMT nanosheets into a freeze-thaw PVA network, a hierarchical and dynamically crosslinked physical network was constructed, enabling the concurrent optimization of multiple functional properties. The resulting hydrogel exhibits excellent mechanical performance with a fracture stress of up to 0.69 MPa, high ionic conductivity (~2.5 S/m at room temperature), and stable flexibility and conductivity (~2.3 S/m) even at ?20 °C. In addition, the hydrogel demonstrates robust and universal adhesion to various substrates, along with an intrinsic self-healing capability. A TENG fabricated using this hydrogel as the electrode delivers stable electrical output and good cyclic durability. This work provides a viable design strategy for high-performance anti-freezing conductive hydrogels and expands their potential applications in flexible self-powered electronic devices.

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  • 收稿日期:2026-01-30
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