Preparation of strong and tough conductive hydrogel based on Grafting, Fe3+-Catechol complexations and salting out for triboelectric nanogenerators

摩擦电效应 高分子化学 材料科学 电解质 化学工程 自愈水凝胶 聚乙烯醇 化学 纳米技术 电极 复合材料 工程类 物理化学
作者
Yu Yang,Weikun Jiang,Yang Wang,Chen Wu,Honglei Chen,Gaojin Lyu,Jiliang Ma,Yonghao Ni,Yu Liu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:661: 450-459 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.01.170
摘要

The development of a strong and tough conductive hydrogel capable of meeting the strict requirements of the electrode of a hydrogel-based triboelectric nanogenerator (H-TENG) remains an enormous challenge. Herein, a robust conductive polyvinyl alcohol (PVA) hydrogel is designed via a three-step method: (1) grafting with 3,4-dihydroxy benzaldehyde, (2) metal complexation using ferric chloride (FeCl3) and (3) salting-out using sodium citrate. The hydrogel contains robust crystalline PVA domains and reversible/high-density non-covalent interactions, such as hydrogen bonding, π–π interactions and Fe3+-catechol complexations. Benefiting from the crystalline domains, the hydrogel can resist external forces to the hydrogel network; meanwhile, the reversible/high-density of non-covalent interactions can impart gradual and persistent energy dissipation during deformation. The hydrogel possesses multiple cross-linked networks, with 6.47 MPa tensile stress, 1000 % strain, 35.24 MJ/m3 toughness and 37.59 kJ/m2 fracture energy. Furthermore, the inter-connected porous hydrogel has an ideal structure for ionic-conducing channels. The hydrogel is assembled into an H-TENG, which can generate open circuit voltage of ∼ 150 V, short-circuit current of ∼ 3.0 μA, with superb damage immunity. Subsequently, road traffic monitoring systems are innovatively developed and demonstrated by using the H-TENG. This study provides a novel strategy to prepare superiorly strong and tough hydrogels that can meet the high demand for H-TENGs.
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