《AS》用于可拉伸弹性全水凝胶超级电容器和柔性自供电集成系统的高性能有机-无机杂化导电水凝胶|AS|太阳能电池|导电水凝胶|电化学|电容器|超级

中文题目：用于可拉伸弹性全水凝胶超级电容器和柔性自供电集成系统的高性能有机-无机杂化导电水凝胶

英文题目：“High-Performance Organic-Inorganic Hybrid Conductive Hydrogels for Stretchable Elastic All-Hydrogel Supercapacitors and Flexible Self-Powered Integrated Systems”

期刊：《先进科学》（Advanced Science）

DOI：10.1002/advs.202403358

这篇文章详细介绍了一种高性能的有机-无机杂化导电水凝胶，该水凝胶由聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、碳化钛(C-MXene)和戊二醛交联的聚乙烯醇(GA-PVA)组成，用于构建可拉伸弹性的全水凝胶超级电容器和柔性自供能集成系统。研究中，通过精确控制合成条件，制备出了具有优异导电性、机械柔韧性和电化学性能的水凝胶。该水凝胶展现出了高电导率(2000 S m^-1)、良好的拉伸性(200%)以及优异的电化学活性，其制备的全水凝胶超级电容器具有高比电容(212.5 mF cm^-2)和良好的能量密度(18.89 µWh cm^-2)。此外，该水凝胶在经历不同的形变如弯曲、扭曲和拉伸后，其电化学性能保持稳定，显示出在柔性电子和可穿戴设备中作为超级电容器电极材料的巨大潜力。文章还通过与其他文献中报道的材料性能进行比较，突出了这种新型水凝胶在能量密度和功率密度方面的优势，证明了其在柔性自供能系统中应用的可行性和优越性。

文章的主要研究问题是

如何制备一种兼具高电导率和良好机械拉伸性能的有机-无机杂化导电水凝胶？

这种水凝胶的电导率和机械性能是否能满足超级电容器和柔性电子设备的要求？

水凝胶超级电容器的电化学性能如何，包括比电容、能量密度和功率密度？

水凝胶在经历不同形变后，其电化学性能的稳定性如何？

基于水凝胶超级电容器的自供能集成系统在实际工作条件下的性能和可靠性如何？

如何通过调整水凝胶的组成和结构来优化其电化学和机械性能？

水凝胶的生物相容性和环境稳定性如何，其在长期应用中的安全性和环境影响如何？

文章的结论如下：

研究人员成功开发了一种高性能的有机-无机杂化导电水凝胶，该水凝胶不仅具有卓越的电导率和机械拉伸性，而且在电化学性能上也表现出色，包括高比电容和良好的能量密度与功率密度。此外，这种水凝胶在经历各种形变后仍能保持稳定的电化学性能，证明了其在构建全水凝胶超级电容器和柔性自供能集成系统中的巨大潜力，与其他材料相比，展现出了显著的性能优势，为未来在柔性电子和可穿戴设备领域的发展提供了新的可能性。

图1：展示了有机-无机杂化导电水凝胶的制备流程以及全水凝胶超级电容器的组装过程的示意图。

图2：展示了混合导电水凝胶的形态和结构。包括水凝胶在初始、弯曲和扭曲状态下的照片（a-c），横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像（d-f），以及能量色散X射线光谱（EDS）映射图像（g-i），显示了PEDOT:PSS和C-MXene纳米片在水凝胶中的均匀分布。

图3：展示了混合导电水凝胶的机械和电气性能。包括不同体积比下水凝胶的应力-应变曲线（a），1:3体积比下水凝胶的流变性能测试（b），1:3体积比下水凝胶在50%拉伸应变和30%压缩应变下的加载-卸载曲线（c-d），以及不同体积比下水凝胶的机械拉伸性和电导率（e），并与之前工作的绩效进行了比较（f）。

图4：探讨了混合导电水凝胶高机械和电气性能的机制。包括PEDOT:PSS在引入C-MXene前后的配置（a），PEDOT:PSS/GA-PVA和PEDOT:PSS/C-MXene/GA-PVA的拉曼光谱（b），C-MXene、PEDOT:PSS/C-MXene和PEDOT:PSS/C-MXene/GA-PVA的X射线衍射（XRD）谱（c），以及混合导电水凝胶内部结构的示意图（d），以及PEDOT:PSS与C-MXene之间以及GA-PVA与C-MXene之间相互作用的第一性原理计算（e-f）。

图5：展示了全水凝胶超级电容器的电化学性能和能量存储能力。包括基于不同体积比混合导电水凝胶的超级电容器的CV曲线和GCD曲线（a-b），1:3体积比下基于混合导电水凝胶的超级电容器在不同扫描速率下的CV曲线和在不同电流密度下的GCD曲线（c-d），与其他超级电容器的具体电容比较（e），Ragone图（f），循环稳定性测试（g），以及基于PEDOT:PSS/GA-PVA和PEDOT:PSS/C-MXene/GA-PVA的超级电容器的Nyquist图（h）。