一种具有纳米织构表面的叉指电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种具有纳米织构表面的叉指电极及其制备方法和应用，所述叉指电极为具有梳状周期性图案且至少一面具有纳米尺寸的微结构的金属薄膜，所述纳米尺寸的微结构为纳米锥、纳米片、纳米墙中的至少一种；优选地，所述金属薄膜的具有纳米尺寸的微结构一面的表面均方根粗糙度为8～200 nm，更优选为10～100 nm。

A kind of interdigital electrode with nano-textured surface and its preparation method and Application

The invention relates to an interdigital electrode with a nano-textured surface and its preparation method and application. The interdigital electrode is a metal film with comb-like periodic pattern and at least one surface with nano-sized micro-structure. The nano-sized micro-structure is at least one of nano-cones, Nano-sheets and nano-walls. The surface root mean square roughness of the metal film with a nano-sized microstructural surface is 8-200 nm, preferably 10-100 nm.

【技术实现步骤摘要】
一种具有纳米织构表面的叉指电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种具有纳米织构表面的叉指电极及其制备方法和应用，属于工程

技术介绍
叉指电极是一种在平面内具有梳状周期性图案的电极，可用作超级电容器、锂电池、摩擦纳米发电机、传感器等器件的集流体。一方面，叉指电极的传统制备方法包括光刻、喷墨打印、激光书写、掩膜版辅助真空溅射等，而这些方法因步骤复杂、成本高昂，限制了叉指电极的大规模、高效、低成本制备。另一方面，传统方法制备出的叉指电极，其表面是致密平整的，限制了叉指电极与电极材料之间的电荷传输，从而导致器件性能低下。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种具有纳米织构表面的叉指电极及其制备方法和应用。一方面，本专利技术提供了一种具有纳米织构表面的叉指电极，所述叉指电极为具有梳状周期性图案且至少一面具有纳米尺寸的微结构的金属薄膜，所述纳米尺寸的微结构为纳米锥、纳米片、纳米墙中的至少一种；优选地，所述金属薄膜的具有纳米尺寸的微结构一面的表面均方根粗糙度为8～200nm，更优选为10～100nm。本专利技术中，具有纳米织构表面的叉指电极附着于柔性基材上，由金属薄膜构成，在面内呈梳状周期性图案，其至少一面具有纳米尺寸的微结构(例如，纳米锥、纳米片、纳米墙等)，其可增加叉指电极与电极材料的接触面积，从而显著提高电荷传输效率，改善超级电容器、锂电池、摩擦纳米发电机、传感器等器件的性能。其中，随着金属薄膜表面粗糙度的增加，更大程度上提高其电荷传输效率，使得超级电容器的性能更好。较佳地，所述叉指电极的厚度为50nm～100μm。较佳地，所述叉指电极的材质为Ni、Cu和Zn中的至少一种。较佳地，所述叉指电极附着在柔性基材表面且使得叉指电极的至少远离柔性基材的一面具有纳米尺寸的微结构。所述柔性基材为纸张、布料、软塑料中的一种。另一方面，本专利技术还提供了一种上述的具有纳米织构表面的叉指电极的制备方法，包括：将刻有叉指电极梳状周期性图案的印章蘸取油墨后，在导电基材的表面压印出梳状周期性图案的油墨图案，所述导电基材为FTO导电玻璃或金属片，表面均方根粗糙度为8～200nm，优选为10～100nm；将所述印出叉指电极形状的油墨图案的导电基材置于金属前驱体溶液中进行电镀后，去除油墨图案并转移到柔性基材表面，得到所述具有纳米织构表面的叉指电极。本专利技术中，将刻有叉指电极梳状周期性图案的印章蘸取油墨后，在导电基材(FTO导电玻璃或金属片，表面均方根粗糙度为8～200nm)的表面压印出梳状周期性图案的油墨图案。将所述印出叉指电极形状的油墨图案的导电基材置于金属前驱体溶液中进行电镀，形成叉指电极。由于导电基材本身表面具有纳米尺寸的微结构，使得电镀形成的靠近导电基材的叉指电极的一面形成纳米尺寸的微结构。最后将叉指电极转移到柔性基材表面，并使具有纳米尺寸的微结构的一面远离柔性基材。本专利技术的方法包括压印油墨图案、电镀镍、去除油墨、电极转移等主要步骤，所有操作均在溶液中进行，操作简单、工艺稳定可靠、成本低廉，利于推广。较佳地，所述油墨为绝缘、亲油、粘稠的液体，成分包括酒精、颜料和树脂。较佳地，所述金属前驱体溶液为Ni前驱体溶液、Cu前驱体溶液和Zn前驱体溶液中的一种；优选地，所述金属前驱体溶液为金属盐和电镀辅助剂的混合水溶液，所述金属盐为NiSO4、Ni(NO3)2、CuSO4、Cu(NO3)2、ZnSO4和Zn(NO3)2中的至少一种，所述电镀辅助剂为NH4Cl和H3BO3中的至少一种。又，较佳地，所述金属盐的浓度为0.1～1.0mol/L，所述电镀辅助剂的浓度为0.05～5mol/L。较佳地，施加-0.5～-2.0mAcm-2恒电流进行电镀，电镀的时间为3～60分钟。较佳地，采用有机试剂去除油墨图案，所述有机试剂为乙醇、甲醇、异丙醇、丙酮和甲苯中的至少一种。较佳地，用可转移胶处理柔性基材表面，然后将带可转移胶的柔性基材的一面覆盖于去除油墨后的导电基材的表面并使其紧密贴合，再经分离使得叉指电极转移至柔性基材表面。第四方面，本专利技术提供了一种包含上述的叉指电极的超级电容器。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术所提供的叉指电极表面存在纳米织构，相比于传统方法制备的致密平整的叉指电极，可增加叉指电极与电极材料的接触面积，从而显著提高电荷传输效率，改善超级电容器、锂电池、摩擦纳米发电机、传感器等器件的性能；本专利技术所提供的具有纳米织构表面的叉指电极的制备方法，所有操作均在溶液中进行。相比于传统的光刻、喷墨打印、激光书写、掩膜版辅助真空溅射等方法，工艺稳定可靠，操作简单，成本低廉，易于实现，便于推广应用。附图说明图1是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极制备方法流程图；图2是本专利技术提供的梳状周期性图案；图3是本专利技术提供的印章照片；图4是本专利技术所述的FTO导电玻璃照片；图5是本专利技术所述的FTO导电玻璃的原子力显微镜图片；图6是本专利技术提供的附有油墨图案的FTO导电玻璃照片；图7是本专利技术提供的电镀镍后的FTO导电玻璃照片；图8是本专利技术提供的去除油墨后的FTO导电玻璃照片；图9是本专利技术提供的覆盖有聚酰亚胺塑料薄膜的FTO导电玻璃照片；图10是本专利技术提供的附着于聚酰亚胺塑料薄膜表面的叉指电极；图11是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极的表面扫描电镜图片；图12是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极的断面扫描电镜图片；图13是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极的高分辨表面扫描电镜图片；图14是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极的原子力显微镜图片；图15是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极的X射线衍射图谱；图16是本专利技术提供的具有纳米织构表面的叉指电极的X射线光电子能谱；图17是本专利技术提供的电沉积MnO2后的叉指电极照片；图18是本专利技术提供的超级电容器照片；图19是本专利技术提供的不具有表面纳米织构的叉指电极的高分辨表面扫描电镜图片；图20是本专利技术提供的不具有表面纳米织构的叉指电极的原子力显微镜图片；图21是本专利技术提供的超级电容器循环伏安曲线：1-基于具有表面纳米织构的叉指电极的超级电容器；2-基于不具有表面纳米织构的叉指电极的超级电容器。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术中，具有纳米织构表面的叉指电极为具有梳状周期性图案且至少一面具有纳米尺寸的微结构的金属薄膜.其中，纳米尺寸的微结构可为纳米锥、纳米片、纳米墙中的至少一种。在可选的实施方式中，叉指电极的材质可为Ni、Cu和Zn中的至少一种。在可选的实施方式中，叉指电极的厚度为50nm～100μm。在可选的实施方式中，叉指电极附着在柔性基材表面且使得叉指电极的至少远离柔性基材的一面具有纳米尺寸的微结构。其中，柔性基材可为纸张、布料、软塑料中的一种。其中，金属薄膜的具有纳米尺寸的微结构一面的表面均方根粗糙度为8～200nm，更优选为10～100nm。本专利技术的具有纳米织构表面的叉指电极的制备方法包括印油墨图案、电镀镍、去除油墨、电极转移等主要步骤，具有工艺稳定可靠、操作简单、成本低廉的特点，易于推广应用。其中叉指电极的厚度一般为50nm到100μm。如图1所述，以下示例性地说明具有纳米织构表面的叉指电极的制备方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有纳米织构表面的叉指电极，其特征在于，所述叉指电极为具有梳状周期性图案且至少一面具有纳米尺寸的微结构的金属薄膜，所述纳米尺寸的微结构为纳米锥、纳米片、纳米墙中的至少一种；优选地，所述金属薄膜的具有纳米尺寸的微结构一面的表面均方根粗糙度为8～200 nm，更优选为10～100 nm。

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米织构表面的叉指电极，其特征在于，所述叉指电极为具有梳状周期性图案且至少一面具有纳米尺寸的微结构的金属薄膜，所述纳米尺寸的微结构为纳米锥、纳米片、纳米墙中的至少一种；优选地，所述金属薄膜的具有纳米尺寸的微结构一面的表面均方根粗糙度为8～200nm，更优选为10～100nm。2.根据权利要求1所述的叉指电极，其特征在于，所述叉指电极的厚度为50nm～100μm。3.根据权利要求1或2所述的叉指电极，其特征在于，所述叉指电极的材质为Ni、Cu和Zn中的至少一种。4.根据权利要求1-3中任一项所述的叉指电极，其特征在于，所述叉指电极附着在柔性基材表面且使得叉指电极的至少远离柔性基材的一面具有纳米尺寸的微结构；较佳地，所述柔性基材为纸张、布料、软塑料中的一种。5.一种如权利要求1-4中任一项所述的具有纳米织构表面的叉指电极的制备方法，其特征在于，包括：将刻有叉指电极梳状周期性图案的印章蘸取油墨后，在导电基材的表面压印出梳状周期性图案的油墨图案，所述导电基材为FTO导电玻璃或金属片，表面均方根粗糙度为8～200nm，优选为10～100nm；将所述印出叉指电极形状的油墨图案的导电基材置于金属前驱体溶液中进行电镀后，去除油墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：李效民，陈永博，高相东，毕志杰，黎冠杰，何晓利，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31