一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶及其制备方法，属于柔性储能材料领域。其是借助氧化石墨烯的分散性，使得聚苯胺分散液在聚乙烯醇溶液中分散均匀，利用三者之间的相互作用力以及聚乙烯醇与戊二醛间的交联作用形成具有一级导电网络的基底杂化水凝胶，然后在基底杂化水凝胶上吸附并诱导苯胺自组装，再在一级导电网络的诱导作用下，通过加入过硫酸铵引发苯胺原位聚合形成聚苯胺二级导电网络，从而得到具有两级导电网络的复合柔性导电水凝胶。本发明专利技术所得水凝胶具有多级微孔结构，其比电容高达989 F

【技术实现步骤摘要】
一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性储能材料领域，涉及导电高分子水凝胶，具体涉及一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，柔性可穿戴电子设备的需求正在迅猛增加，其中，高性能柔性超级电容器已成为研究热点。电极材料是决定超级电容器电化学性能优劣的关键，常用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。在导电聚合物中，聚苯胺（PANI）因其原料易得、合成简单、化学稳定性高以及高理论比电容等优势，成为超级电容器电极材料的首选。但PANI作为刚性高分子，本身柔韧性较差，并且随着PANI反复的掺杂和脱掺杂过程中离子的嵌入和脱嵌，会引起其自身体积不断的膨胀和收缩，进而导致PANI电容量的衰减，这将严重影响其在柔性超级电容器中的循环使用。因此，可选用具有柔性的高分子水凝胶或其他材料与聚苯胺结合，形成柔性或具有多重网络的复合导电材料。
[0003]水凝胶的三维水系网络结构，有利于电解质中离子的传输，氧化石墨烯（GO）富含多种含氧官能团，不仅具有分散聚苯胺的作用，而且易于与其他材料进行复合。但由于水凝胶骨架自身不导电，导致绝大多数的复合导电水凝胶的电化学性能不佳。而在制备多重网络时由于各网络的排列是随机且无序的，无法形成良好且贯通的导电网络的构建，无法保证电荷传输效率。因此，构造稳健的导电通道，有效提高电荷传输效率，同时保证材料的循环稳定性，是制备高电化学性能柔性导电水凝胶电极材料的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种简单有效的制备具有高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶的二次诱导组装原位聚合法，其所得水凝胶具有优越的导电性能、电化学性能以及优秀的拉伸性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶，其是借助氧化石墨烯（GO）的分散性，使得聚苯胺（PANI）分散液在聚乙烯醇（PVA）溶液中分散均匀，利用三者之间的相互作用力以及PVA与戊二醛间的交联作用形成具有一级导电网络的基底杂化水凝胶，然后在基底杂化水凝胶上吸附并诱导苯胺自组装，再在一级导电网络的诱导作用下，通过加入过硫酸铵引发苯胺原位聚合形成聚苯胺二级导电网络，从而得到具有两级导电网络的复合柔性导电水凝胶。
[0006]其制备步骤如下：（1）具有一级导电网络（具备诱导功能）的基底杂化水凝胶（PPG）的制备
①ꢀ
将氧化石墨烯分散在水中，形成3mg/ml的氧化石墨烯分散液；
②ꢀ
将1.2959
‑
2.5918g盐酸苯胺和0.2
‑
0.6ml的70wt%植酸溶液溶于20
‑
40ml去离子水中，记为溶液a；将2.282
‑
4.564g过硫酸铵溶于5
‑
20ml去离子水中，记为溶液b；将溶液a
和b冷却至0
‑
5℃，然后将溶液b迅速倒入溶液a中并搅拌均匀，封膜，于0
‑
5℃环境中反应8
‑
15h，得聚苯胺分散液；
③ꢀ
将1
‑
6g PVA溶于10
‑
30ml去离子水中得PVA溶液；取150
‑
200μ氧化石墨烯分散液与60
‑
80μl聚苯胺分散液混合均匀后，再向其中加入300
‑
700μl PVA溶液并搅拌混合5min使其均匀，最后向其中加入200
‑
300μl、1vol%的戊二醛溶液，交联固化1
‑
10min制得基底杂化水凝胶PPG；（2）苯胺自组装混合体系的制备将30 ml 0.01
‑
0.05mol/l的盐酸苯胺溶液和0.2
‑
0.6ml 70wt%的植酸溶液混合，然后将PPG于该混合液中浸泡4
‑
8h，吸附并诱导苯胺定向自组装，以形成混合体系；（3）高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶（PPG
‑
P）的制备取0.1141
‑
0.4564g过硫酸铵溶于1
‑
10ml去离子水，然后将该溶液快速倒入步骤（2）所得苯胺自组装混合体系中，然后封膜，于0
‑
5℃环境中反应10
‑
15h使苯胺原位聚合，得到具有两级导电网络的水凝胶PPG
‑
P。
[0007]本专利技术首先利用氧化石墨烯（GO）的分散作用，将GO溶液与聚苯胺分散液共混均匀得到混合溶液后，再依次加入PVA和戊二醛交联固化，利用PANI、PVA和GO两两分子间相互作用力以及PVA和戊二醛之间的交联作用，制备具有一级导电网络的基底杂化水凝胶PPG，其中GO主要起着分散剂作用，使得PANI在PVA中能够均匀分布；然后在一级导电网络的诱导作用基础上，PPG水凝胶吸附并诱导苯胺自组装（一级导电网络上所包含的多种组分的官能团与苯胺间具有强大的相互作用力，可诱导苯胺定向自组装在一级导电网络上）；再通过引发苯胺的原位聚合可使聚苯胺二级导电网络定向生长于一级导电网络骨架上，两级导电网络相互交织贯穿，可形成多级微孔结构，从而获得具备高比电容的聚苯胺复合柔性导电水凝胶PPG
‑
P。本专利技术所得聚苯胺复合柔性导电水凝胶中的两级导电网络不仅为电荷转移提供了良好的运输通道，而且增强了材料的循环稳定性，使得其具有优越的导电性能与电化学性能。
[0008]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术采用简单的二次诱导组装原位聚合法，制备了具有两级导电网络（一级导电网络和聚苯胺二级导电网络）的PPG
‑
P导电水凝胶。其中具有特殊诱导功能的一级导电网络是利用PANI、PVA和GO两两分子间相互作用力以及PVA和戊二醛之间的交联作用制得；由于一级导电网络上所包含的多种组分（如PANI、GO、PVA）的官能团与苯胺间具有强大相互作用力，故可诱导苯胺在其上完成定向自组装，然后通过引发苯胺的原位聚合使得形成的聚苯胺二级导电网络可以定向生长在一级导电网络上。两级导电网络相互交织，最终获得高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶PPG
‑
P。
[0009]（2）基于一级导电网络特殊的、具有诱导苯胺定向自组装的功能性，聚苯胺二级导电网络的分布不再是随机的，而是规整排布在一级导电网络骨架上，由此形成的两级导电网络不仅为电荷转移提供了良好的运输通道，提高了电荷传输效率与电活性物质的利用率，而且增强了材料的稳定性，使得PPG
‑
P具有优越的导电性能与电化学性能。
[0010]（3）本专利技术所得高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶PPG
‑
P具有多级微孔结构，其比电容高达989 F
·
g
‑1，具有优越的导电性能、电化学性能以及优秀的拉伸性能，可广泛应用于柔性超级电容器等可穿戴电子设备的制作。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将氧化石墨烯分散液与聚苯胺分散液共混均匀，得到混合溶液；然后在其中加入聚乙烯醇混匀；再加入戊二醛溶液进行交联固化，制备出具有一级导电网络的基底杂化水凝胶；（2）将步骤（1）所得基底杂化水凝胶于苯胺溶液中浸泡，得到苯胺自组装混合体系；（3）引发步骤（2）所得苯胺自组装混合体系中的苯胺在一级导电网络的诱导作用下进行原位聚合，形成定向生长在一级导电网络上的聚苯胺二级导电网络，从而得到具有两级导电网络的高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种高比电容聚苯胺复合柔性导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述基底杂化水凝胶的具体制备步骤如下：
①ꢀ
将氧化石墨烯分散在水中，形成3mg/ml的氧化石墨烯分散液；
②ꢀ
将1.2959
‑
2.5918g盐酸苯胺和0.2
‑
0.6ml的70wt%植酸溶液溶于20
‑
40ml去离子水中，记为溶液a；将2.282
‑
4.564g过硫酸铵溶于5
‑
20ml去离子水中，记为溶液b；将溶液a和b冷却至0
‑
5℃，然后将溶液b迅速倒入溶液a中并搅拌均匀，封膜，于0
‑
5℃环境中反应8
‑
15h，得聚苯胺分散液；
③ꢀ
将1
‑
6g聚乙烯醇溶于10
‑
30ml去...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓，赵海兰，张卫英，陈兰兰，逄述博，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：