一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器，属于电化学驱动器技术领域，本实用新型专利技术的电化学驱动器包括第一电极层、电解质层和第二电极层三层结构；所述的电解质层上下表面附着电极层；所述的电极层包括沸石咪唑酯金属有机框架结构的富氮多孔碳材料和导电聚合物，所述的电解质层包括离子液体和高分子基体材料。本实用新型专利技术还公开了这种电化学驱动器的制备方法，该制备方法简单，制备的电化学驱动器电机械性能优异，在人工肌肉、仿生软体机器人等领域具有较好的应用前景。

An electrochemical actuator with nitrogen rich porous carbon as electrode

【技术实现步骤摘要】
一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器
本技术属于电化学驱动器
，具体是一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器。
技术介绍
电活性聚合物（Electro-activepolymer,EAP）是一种智能材料，具有特殊的机电转换特性。电活性聚合物最常见的应用之一是在机器人学中对人工肌肉的开发。因此，电活性聚合物也常被用作人工肌肉的代名词。按照作用机理的不同，电活性聚合物主要分为电子型和离子型两大类。其中，离子型电活性聚合物包括离子聚合物金属复合材料、导电聚合物、聚合物凝胶、碳纳米管等(王岚，赵淑金，王海燕，党智敏.电活性聚合物的研究进展.稀有金属材料与工程，2005，34，728-733)。离子型电活性聚合物材料是基于电化学原理，通过电化学机械作用引起离子的迁移所导致的宏观形变，通常也被称为电化学驱动器。离子聚合物金属复合材料(Ionicpolymermetalcomposite,IPMC)这一类经典的电化学驱动器主要是由离子交换膜和贵金属通过化学镀方法复合而成，在仿生机器人、生物医学工程、微流体控制等领域已取得很多成果。传统IPMC驱动器因为使用贵金属电极，价格昂贵，刚性金属电极循环使用易开裂，工作环境较多依赖水，因此，研发柔性非金属电极材料和空气中稳定致动的驱动器是该领域所面临的重要挑战。近年来空气中稳定致动的电化学驱动器开始发展起来(武观，胡颖，陈韦.碳纳米管和石墨烯人工肌肉.科学通报，2014，59，2240-2252)。这种驱动器其致动性能主要由电极层的微观结构和电化学性能等决定，所以电极材料和结构对于提高电化学驱动器的性能尤为关键。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器，以克服现有技术中的不足，本技术制备的电化学驱动器的非金属电极既有柔性又有高电容，驱动器性能优异，在柔性驱动、柔性传感与可穿戴电子设备等方面有着广阔的应用前景。本技术是这样实现的：一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器，其特征在于，所述的电化学驱动器为电极层以及电解质层组成的三层结构，所述的三层结构包括第一电极层、电解质层和第二电极层；所述的电解质层上下表面附着电极层；所述的电极层包括富氮多孔碳和导电聚合物制备；所述富氮多孔碳由沸石咪唑酯金属有机框架热解制备得到；所述导电聚合物为聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，即PEDOT:PSS。本技术提供了一种柔性非金属电极，包含所述的ZIF结构的富氮多孔碳材料和PEDOT:PSS。进一步，所述的电解质层包括高分子基体材料和离子液体；所述的基体材料采用聚氨酯、聚偏氟乙烯或壳聚糖中的一种或两种以上材料制备；所述的离子液体采用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或两种以上材料制备。进一步，所述的制备方法为：步骤一、通过溶液法制备沸石咪唑酯金属有机框架，即ZIF；步骤二、在保护性气氛中将ZIF高温煅烧，获得所述的ZIF结构的富氮多孔碳材料；步骤三、将步骤二得到的ZIF结构的富氮多孔碳材料分散于PEDOT:PSS水溶液中形成分散液，并将分散液浇铸到模具里烘干制成电极薄膜；PEDOT:PSS水溶液的固含量1.05%，即水溶液里面含1.05%的PEDOT:PSS。步骤四、将高分子基体材料与离子液体混合并加入有机溶剂溶解，浇铸到模具里烘干得到电解质膜；步骤五、将电解质膜置于步骤三制备的两个电极薄膜，即第一电极层、第二电极层之间，用热压法组装制备得到所述电化学驱动器。进一步，所述的溶液法制备ZIF的步骤为：1.1、将金属盐溶解于甲醇中，获得A溶液；1.2、将咪唑类化合物溶解于甲醇中，获得B溶液；1.3、将步骤二得到的B溶液分批或者一次性加入A溶液中获得混合体系，静置0.5~5h，获得所述ZIF。进一步，所述的ZIF为ZIF-8、ZIF-10、ZIF-11、ZIF-12、ZIF-67等，但不限于此。进一步，所述的金属盐包括锌盐和钴盐中的任意一种或两者的组合；所述的锌盐包括硝酸锌、硫酸锌和醋酸锌中的任意一种或两种以上的组合；所述的钴盐包括硝酸钴和氯化钴中的任意一种或两者的组合；所述的咪唑类化合物包括2-甲基咪唑、2-乙基咪唑和3-甲基咪唑中的任意一种或两种以上的组合。进一步，所述的步骤二具体为：在氮气或者氩气保护性气氛中，以1~10°C/min的升温速率将所述ZIF加热到600~1000°C，并保温0.5~5h，然后冷却至室温，获得所述ZIF结构的富氮多孔碳材料。进一步，所述的步骤三中的富氮多孔碳材料和PEDOT:PSS的质量比为1:20~2:1。进一步，所述的步骤四中的离子液体和高分子基体材料的质量比为1:20~5:1；所述的高分子基体材料包括聚氨酯、聚偏氟乙烯和壳聚糖中的任意一种或两种以上的组合；所述的离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的任意一种或两种以上的组合；所述的有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二氯甲烷中的任意一种或两种以上的组合；所述的溶液浇铸法的固化成膜的加热温度为50~130°C，加热时间为2~48h。进一步，所述的步骤五中的热压法的热压温度为50~200°C，热压时间为10min~2h，热压形式为一步热压或逐步热压。本技术与现有技术的有益效果在于：本技术提供的ZIF结构的富氮多孔碳具有高的电容，富氮多孔碳和PEDOT:PSS的协同效应赋予非金属柔性电极优异的电化学性能，本技术提供的基于富氮多孔碳非金属柔性电极的电化学驱动器电机械性能优异，该电化学驱动器的制备方法简单。因此，该电化学驱动器在人工肌肉、仿生软体机器人等领域具有较好的应用前景。附图说明图1是根据本技术的示例性实施例制备基于富氮多孔碳电极的电化学驱动器的工艺流程图；图2是本技术实施例中一种富氮多孔碳材料和母体沸石咪唑酯金属有机框架材料的X射线衍射图；图3是本技术实施例中一种富氮多孔碳材料的X射线光电子能谱图（C1s和N1s）；图4是本技术实施例中一种富氮多孔碳/泡沫钛网电极在不同扫速下的循环伏安曲线图；图5是本技术实施例中一种富氮多孔碳/PEDOT:PSS复合材料电极（ZIF结构富氮多孔碳材料在柔性电极中的质量分数为20%）在不同扫速下的循环伏安曲线图；图6是本技术实施例中一种富氮多孔碳电极的电化学驱动器(20%C-N/PEDOT:PSS电极)在不同频率下的电致位移曲线(3V正弦波电压)；图7是本技术实施例中富氮多孔碳电极的电化学驱动器(不同的x%C-N/PEDOT:PSS电极)在不同频率下的尖端峰对峰电致位移对比(3V正弦波电压)；图8是本技术实施例中富氮多孔碳电极的电化学驱动器的结构示意图；其中，1-第一电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器，其特征在于，所述的电化学驱动器为柔性非金属电极，所述的电化学驱动器包括电极层以及由高分子基体材料和离子液体组成的电解质层，所述的电极层包括第一电极层、第二电极层，电解质层上下表面附着电极层，形成电化学驱动器的三层结构；所述的电极层为ZIF结构的富氮多孔碳层，所述的ZIF结构的富氮多孔碳层包括富氮多孔碳和导电聚合物。/n

【技术特征摘要】
1.一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器，其特征在于，所述的电化学驱动器为柔性非金属电极，所述的电化学驱动器包括电极层以及由高分子基体材料和离子液体组成的电解质层，所述的电极层包括第一电极层、第二电极层，电解质层上下表面附着电极层，形成电化学驱动器的三层结构；所述的电极层为ZIF结构的富氮多孔碳层，所述的ZIF结构的富氮多孔碳层包括富氮多孔碳和导电聚合物。


2.根据权利要求1所述的一种富氮多孔碳为电极的电化学驱动器，其特征在于，所述的富氮多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈田，路方舟，向凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32