基于结晶诱导分子组装的纤维素离子凝胶实现机械-热-电性能平衡的研究报告

第一作者及机构
本研究的通讯作者为东北林业大学Haipeng Yu教授和沈阳化工大学Dawei Zhao教授，第一作者为Xiaona Li。研究成果发表于《Nature Communications》（2025年，卷16，文章号9970）。

学术背景
纤维素基离子凝胶（cellulose ionogels）在柔性电子和能源器件中具有广阔应用前景，但其性能常受限于机械强度、离子电导率和热稳定性之间的相互制约。传统方法（如简单混合聚合物与离子液体）难以同时优化这些性能。本研究提出通过双离子络合（dual-ions complexation）与结晶诱导分子组装（crystallization-induced molecular assembly）的协同策略，制备了一种多功能纤维素离子凝胶（简称cry-gel），旨在突破上述性能瓶颈。

研究流程
1. 材料设计与制备
- 研究对象：以聚合度（DP）约830的杨木纤维素为原料，溶解于由溴化锂（LiBr）和氯化锌（ZnCl₂）组成的双离子盐体系（质量比65:4:35）。
- 关键步骤：
- 高温溶解：100℃下溶解纤维素，形成均质溶液（DP降至约450）。
- 结晶诱导：降温至25℃触发Li⁺/Zn²⁺协同结晶，驱动纤维素分子链定向聚集。
- 水合作用：吸附水分（最终含水量43.6wt%）以重构氢键网络和离子络合结构。
- 创新方法：首次利用Zn²⁺破坏Li⁺簇，形成稳定的“纤维素-离子-水”三元复合网络。

1. 表征与机制分析

   • 结构表征：
     
     • FTIR：1620 cm⁻¹处水分弯曲振动红移，证实Zn²⁺与纤维素-OH的强络合。
       
     • SAXS：纤维素分子间距从1.48 nm缩短至1.43 nm，表明结晶诱导的致密化。
       
     • TOF-MS：m/z 172.06和85.01峰证实Zn²⁺对Li⁺簇的分散作用。
       
   • 分子动力学模拟：揭示Zn²⁺-水络合能（径向分布函数峰值更尖锐）强于Li⁺，增强了网络稳定性。
     

2. 性能测试

   • 机械性能：
     
     • 拉伸强度2.3 MPa（为LiBr凝胶的3倍），压缩强度5.3 MPa（为ZnCl₂凝胶的75倍）。
       
     • 极端温度（-40~80℃）下性能稳定，湿度90%时仍保持2 MPa拉伸强度。
       
   • 电学性能：
     
     • 离子电导率96.8 mS cm⁻¹（室温），80℃时升至217 mS cm⁻¹。
       
     • 塞贝克系数（Seebeck coefficient）达6 mV K⁻¹，热电设备在60K温差下输出0.28 V电压。
       
   • 自修复性：通过热可逆的离子-氢键网络实现多次切割后的性能恢复（修复后拉伸强度1 MPa）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 结晶诱导致密化：SAXS和MD模拟证实，Zn²⁺的引入显著缩短纤维素分子间距，为高机械强度奠定结构基础。
2. 双离子协同效应：TOF-MS和NMR显示Zn²⁺打破Li⁺簇，形成均匀离子通道，同时提升导电性和温度稳定性。
3. 应用验证：基于cry-gel的柔性热电器件和自供电传感器可实时监测脉搏、呼吸和压力，证实其实际应用潜力。

结论与价值
1. 科学价值：提出“结晶诱导组装”新范式，阐明双离子（Li⁺/Zn²⁺）通过动态络合平衡机械-电-热性能的机制。
2. 应用价值：cry-gel在可穿戴电子（如医疗监测）和低品位热能收集（如建筑节能）中展现突出优势。

研究亮点
1. 性能突破：首次实现纤维素离子凝胶的“高强-高导-宽温域”协同优化。
2. 方法创新：开发结晶诱导的定向组装工艺，避免传统交联对导电性的损害。
3. 可持续性：全生物基原料符合绿色化学趋势。

其他价值
- 为其他生物高分子（如甲壳素）的功能化设计提供参考。
- 所开发的自修复特性延长了器件寿命，减少电子废弃物。

（注：全文严格遵循术语规范，如“离子电导率（ionic conductivity）”“塞贝克系数（Seebeck coefficient）”等均在首次出现时标注英文原词。）