《自然·通讯》中科大俞书宏院士:多响应可修复水凝胶超级电容器【摘要】自愈性对于超级电容

【摘要】
自愈性对于超级电容器在为电子设备供电时提高其可靠性和使用寿命至关重要。然而，缺乏通用的愈合机制导致低电容性能和不令人满意的智能。最近，中国科学技术大学俞书宏院士、合肥工业大学从怀萍特聘教授团队展示了一种多响应可修复超级电容器，具有集成配置，由磁性Fe3O4@Au/聚丙烯酰胺(MFP)水凝胶基电极和电解质和作为集电器的Ag纳米线薄膜组装而成。

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除了高机械强度外， MFP水凝胶还表现出由不同的光热和磁热触发界面重建产生的快速光学和磁愈合特性。通过将电活性聚吡咯纳米粒子生长到MFP框架中作为电极，组装的超级电容器在光、电和磁刺激下表现出三重响应的愈合性能。值得注意的是，该器件在报道的可修复超级电容器中提供了1264mFcm-2的最高面电容，并在十个修复周期内恢复了约90%的初始电容。这些突出的性能优势以及简便的器件组装方法使这种新兴的超级电容器在下一代电子产品中具有巨大的潜力。相关论文以题为Amulti-responsivehealablesupercapacitor发表在《NatureCommunications》上。
【图文解析】
磁性水凝胶的设计与制备
图1a显示了MFP水凝胶制备的示意图。通常， Fe3O4@Au复合材料是通过在室温下在水热合成的Fe3O4纳米球上原位还原Au纳米颗粒来制备的。为了获得一种用于水凝胶聚合的交联剂，使用二硫键末端的N,N'-双（丙烯酰基）胱胺（BACA）分子并通过Au-SR键与Fe3O4@Au纳米球连接，产生Fe3O4@Au@BACA复合材料。如透射电子显微镜(TEM)图像（图1b）和相应的元素映射（图1c-e）所示， Fe、Au和S元素均匀分布在Fe3O4@Au@BACA复合材料中，证明了成功将BACA结合到Fe3O4@Au上。扫描电子显微镜（SEM）图像显示MFP水凝胶提供均匀的网络结构，孔径为~1μm（图1f）。 MFP水凝胶在磁滞回线中表现出明显的超顺磁性，并对施加的磁场进行了显着的运动（图1g），继承自均匀分散的Fe3O4@Au复合材料。为了进行比较，通过使用BACA作为化学交联剂而不添加Fe3O4@Au复合材料制备了传统的化学交联聚合物水凝胶，表示为CCP水凝胶。

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图1：MFP水凝胶的制备和表征。
由于网络中化学交联的Fe3O4@Au复合材料， MFP水凝胶表现出显着的机械性能。拉伸试验量化了MFP水凝胶在2250%的伸长率下提供高达3.1MPa的高拉伸应力（图1h）。长度为2cm的MFP水凝胶片可以拉伸到>30cm的长度而不会断裂（图1j）。与此形成鲜明对比的是，对照样品的力学性能明显减弱， CCP水凝胶在1100%应变下的拉伸应力为0.5MPa ， PMP水凝胶在1300%应变下为1.1MPa（图1h），表明在MFP水凝胶。令人印象深刻的是， MFP水凝胶表现出显着的缺口不敏感性特性，如光学图像中缺口凝胶片的高拉伸性所示（图1k）。
MFP水凝胶的刺激触发愈合特性
鉴于大量动态Au-SR配位键均匀地结合在网络中， MFP水凝胶通过Au-SR键在外部刺激下的可逆变形/重整而具有很强的愈合能力。如图2a所示，由于为了从均匀分散的Fe3O4@Au复合材料中获得Au纳米颗粒的独特光热性能和Fe3O4纳米球优异的磁热性能， MFP水凝胶有望在NIR激光或磁场的启发下愈合。当两个单独的凝胶片紧密接触并将断裂区域暴露于NIR激光时，观察到它们在2min内愈合并且可以拉伸到大应变而没有任何裂纹（图2b）。红外热像仪在图2c中插入的图像中进行的温度测试表明，在近红外辐射下1分钟内温度高达43°C 。合理地，通过提高水凝胶中Fe3O4@Au复合物的含量，检测到更明显的温度升高。如图2d所示，当复合物含量从0.4增加到4.0mgmL?1时，愈合后的水凝胶的延展性由于水凝胶中Au-SR位点的密度增加，分别为初始长度的62.5%、69.6%、86.3%和81.8% 。