Формостійкі наноструктуровані іоногелі

Рис 1. Формостійкі наноструктуровані іногелі: a) зовнішній вигляд та електричне коло з фотодіодом замкненим іоногелем як формостійким електролітом (крайній справа); б) вихідні сполуки для отримання іоногелів; в) структура іоногелів: зображення отримані методом сканувальної електронної (СЕМ) та атомно-силової (АСМ) мікроскопії, масштаб 500 нм.

Табл. Склад та властивості іоногелів

Склад іоногелів*		Пористість, %	Модуль Юнга, МПа	Границя текучості, кПа	Границя міцності, кПа	Іонна провідність при 30^оС, ×10³ См/см
ГР-ОІР, %	ІР, %	Пористість, %	Модуль Юнга, МПа	Границя текучості, кПа	Границя міцності, кПа	Іонна провідність при 30^оС, ×10³ См/см
0.0	95.3	12,3	0,6±0,2	55±13	320±40	5,4
0.5	95.3	9,5	2,1±0,2	141±5	830±100	5,9
1.0	95.1	10,0	3,1±1,0	190±20	710±170	6,2
2.0	93.5	11,8	5,6±1,4	260±60	790±150	7,8

*вміст НКЦ 4.5%

Розроблено методи отримання наноструктурованих іоногелів з властивостями формостійких безелектродних електролітів для електрохімічних пристроїв різного призначення (рис. 1a). Запропонований підхід до отримання формостійких жорстких іоногелів базується на поєднанні розробленої нами аніонної протонної сульфонат імідазолієвої ГР-ОІР — наноструктуруючого агента та НКЦ як гелеутворювачів (рис. 1б). Встановлено, що лише комбінація цих складових забезпечує формування унікальної нанопористої структури з неперервним іонпровідним середовищим в складі іоногелів (рис. 1в), що забезпечує високі механічні характеристики останніх при збереженні рівня іонної провідності (табл.).

Іоногелі отримували поєднанням ІР, ГР-ОІР та НКЦ (рис. 1б) в водно-спиртовій суміші з наступним видаленням розчинників та вакуумуванням отриманих продуктів. При цьому вміст ІР складав 94-95%, НКЦ – 4,5%, а ГР-ОІР варіювався в межах 0,5-2,0 % по масі (табл.). Отримані іоногелі є напівпрозорими (пропускають до 50% світла у видимому діапазоні) твердими тілами здатними витримувати навантаження в 400 разів більше за свою масу без видимих мікроскопічних руйнувань.

Пористість таких систем складає 9-12 % (табл.), а початок термоокиснювальної деструкції спостерігається при 370^оС. Показано, що присутність ГР-ОІР як наноструктуруючого агенту у складі іоногелів має істотний вплив на механічні характеристики останніх, зокрема збільшення вмісту ГР-ОІР супроводжується підвищенням модуля Юнга при стисненні до 5,6 МПа, границі текучості до 260 кПа, а границя міцності при величині деформації 75% (відповідає ущільненому стану іоногелів) підвищується до 830 кПа (табл.). Іонна провідність іоногелів згідно даних широкосмугової діелектричної спектроскопії складає до 7,8·10^-3 См/см за температури 30^оС в безводних умовах (для вихідної ІР даний показник сягає 1,1·10^-2 См/см за рівних умов) (табл.).

Розроблені іоногелі характеризуються унікальним поєднанням високих механічних характеристик нетипових для рідких електролітів при збереженні високої іонної провідності на рівні вихідної ІР, що робить їх перспективними як формостійкі безелектродні електроліти для електрохімічних пристроїв різного призначення.

Література

Lee, A. Erwin, M.L. Buxton, M. Kim, A.V. Stryutsky, V.V. Shevchenko, A.P. Sokolov, V.V. Tsukruk. Shape persistent, highly conductive ionogels from ionic liquids reinforced with cellulose nanocrystal network. Adv. Funct. Mater., 2021, Vol. 31, N 38, Article number 2103083. https://doi.org/10.1002/adfm.202103083

На попередню сторінку