导电水凝胶（CH）结是近年来柔性电子材料研究的热门方向之一。出色的物理化学特性（例如可拉伸性和高电导率）使其在柔性应变传感器和可拉伸摩擦电纳米发电机（TENG）的相关研究中受到重视。然而，以水为分散介质的CH在环境中面临着冻结与失水的难题，大大限制了其应用范围。为此，郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队与北京化工大学万鹏博教授合作将自由基聚合合成的聚丙烯酰胺/蒙脱土/碳纳米管水凝胶中的部分水通过甘油置换，制备了一种具有环境耐受性且可拉伸的有机导电水凝胶。这种有机水凝胶表现出出色的温度耐受性（-60至60 °C）、良好的稳定性（在正常环境下为30天）以及优异的应变传感性能，可以有效地检测和区分在各种条件下的人体活动。此外，该有机水凝胶可以组装成单电极TENG，即使在500％应变下仍显示出稳定的能量收集能力，并且在寒冷条件下也可以直接为可穿戴电子设备供电。

图1. 耐受极端环境的MMCOH的制备与结构

  本工作基于简单的溶剂替换策略，通过将自由基聚合合成的聚丙烯酰胺/蒙脱土/碳纳米管（CNT）水凝胶浸泡在丙三醇中，水凝胶中的部分水替换成甘油，制备了环境耐受性的有机水凝胶MMCOH（图1）。MMCOH显示出优异的抗冻和抗干燥性能。

图2. MMCOH作为耐环境应变传感材料

  MMCOH作为可穿戴应变传感材料可以在超宽的工作应变范围（0-4196%）内具有高的灵敏度（图2a）。如图2b所示，这种应变-电阻效应归因于在变形过程中3D网络结构中相邻CNT间电子传输的变化以及用于离子传导的多孔微结构的变化。该有机水凝胶用作应变传感器具有优异的响应稳定性以及良好的耐受极端环境特性。基于MMCOH的传感材料在恶劣条件下表现出优异的传感特性使其可作为可穿戴应变传感器用以检测复杂的人体运动。该研究将有机水凝胶基传感材料组装成5×5的传感阵列，研究了其在人造电子皮肤方面的应用（图3），该工作在电子皮肤和人机交互方面有良好的应用前景。

图3.人体运动检测

  作者采用聚氨酯薄膜作为接触摩擦材料层，MMCOH作为电极层，构造了一种三明治结构的抗冻和抗干燥有机水凝胶基TENG（AOH-TENG）（图4a）。AOH-TENG的最大输出功率密度为41.2 mW/m²，其在14000次接触/分离运动中均表现出稳定的电输出（图4e），满足纳米发电机的可靠性要求。在环境条件下存放2个月后，AOH-TENG的电输出未出现明显衰退，展示出优异的电子传输能力和可重复性，证明了该有机水凝胶电极在拉伸性和稳定性方面的巨大优势。

  作者还设计了一种自充电电源系统评估AOH-TENG的发电能力。该AOH-TENG能够在寒冷条件下通过摆臂运动收集足够的机械能点亮20个LED，从而证明了其在极端条件下的可靠性。AOH-TENG在较宽的温度范围内（-60至60 °C）均表现出出色的电输出稳定性。

图4. AOH-TENG的电输出性能

  相关的研究内容以“Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心孙红玲博士。通讯作者为郑州大学的代坤教授和和北京化工大学的万鹏博教授。该研究得到了国家自然科学基金项目、国家自然科学基金-河南省联合基金、河南省高校创新人才支持计划等项目的资助。

  全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101696