一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物、制备方法、柔性电极及可降解锌离子电池技术

本发明专利技术属于多功能材料制备技术领域，具体涉及一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物、制备方法、基于该导电聚合物的柔性电极及由该柔性电极制备的可降解锌离子电池，属于多功能材料制备技术领域。本发明专利技术首先是利用EDOT

Conductive polymer with energy storage and biodegradation properties, preparation method, flexible electrode and degradable zinc ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物、制备方法、柔性电极及可降解锌离子电池


[0001]本专利技术属于多功能材料制备
，具体涉及一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物、制备方法、基于该导电聚合物的柔性电极及由该柔性电极制备的可降解锌离子电池。本专利技术所制得的电极具有良好的降解性能，且储能效果良好，对于开发可降解储能设备具有良好的潜力和应用可行性。

技术介绍

[0002]可降解电子学是一个新兴的工程领域，它要求材料、设备及其系统设计在环境中具有优异和稳定的性能，但要在规定的时间和控制的速率下以物理或化学形式消失，没有任何被识别的残留物，成为绿色电子和可持续器件领域热点。这种可降解行为很大程度上取决于材料、结构，以及系统的总体设计。可降解储能器件是驱动电子设备稳定运行，实现全可降解电子体系的关键。
[0003]一种好的可降解电池正极应满足以下三个要求：(1)具有良好的电化学性能，可以作为储能设备的电极材料；(2)溶解过程中不存在任何残余物；(3)可根据各种用途控制溶解速率。无机材料(主要是过渡金属化合物)作为正极材料在1991年被索尼公司商业化后得到了广泛的应用。随着过渡金属基电极材料的大规模使用，资源的可持续性、环境污染以及合成和回收过程中的能源消耗引起了人们的极大关注。这些不可再生的无机材料的使用挑战了储能设备的可持续发展。有机电极材料可以直接提取或最终从生物质合成，并通过二氧化碳循环回收，被认为是可持续发展的材料。理想情况下，在整个过程中不会有额外的二氧化碳排放，而且在化学合成和热回收过程中消耗的能源也少得多。这些有机电极可以避免使用金属基化合物电极所带来的资源消耗和环境问题。
[0004]导电聚合物优异的氧化还原特性和结构可调性，使其成为极有潜力的正极材料。目前制备可降解正极材料的难点集中在如何提高储能性能的同时提升可降解能力。PEDOT(聚3,4
‑
乙烯二氧噻吩)作为一种经典的储能材料，稳定、无毒、无害且生物相容，并且具有高导电性和氧化还原可逆性等优势。我们通过将可水解的羧基引入到其侧链，在不破坏其共轭结构的同时赋予其可降解能力。在电池的负极选择方面，锌是维持人体生命必须的一种微量元素之一，成年人每天摄入锌的量约为15～100毫克，同时锌的水解反应赋予其可降解特性，采用锌作为负极还可以提升电池的电压窗口，因此我们制备出基于明胶的全固态电解质，将其用于可降解锌离子电池的构筑。由该电极制备的锌离子电池理论性能优异，具有良好的生物降解性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物、制备方法、基于该导电聚合物的柔性电极及由该柔性电极制备的可降解锌离子电池。
[0006]本专利技术首先是利用EDOT
‑
OH(噻吩并[3,4
‑
b]‑
1,4
‑
二噁英
‑2‑
甲醇)单体与3
‑
溴丙
酸甲酯反应生成EDOT
‑
COOCH3单体，然后通过化学聚合再水解的方法制备得到具有储能和生物降解性质的导电聚合物PEDOT
‑
COOH，通过先水解再电化学聚合的方式得到基于该导电聚合物PEDOT
‑
COOH的柔性电极。导电聚合物PEDOT
‑
COOH用于降解测试，基于导电聚合物PEDOT
‑
COOH的柔性电极用于储能性质测试。
[0007]本专利技术所述的具有储能和生物降解性质的导电聚合物，其结构式和制备反应式如下：
[0008][0009]n为大于等于1的正整数。
[0010]本专利技术所述的具有储能和生物降解性质的导电聚合物，其是由如下步骤制备得到(如果没有特别强调，本专利技术所述的溶液均为水溶液，所述反应温度均为室温)：
[0011](1)EDOT
‑
COOCH3单体的制备：将1.0g EDOT
‑
OH在氮气氛围下加入到20～30mL无水四氢呋喃(THF)溶剂中，再加入0.15～0.25g碘化钾和0.25～0.3g氢化钠，在冰浴条件下搅拌至溶液澄清；之后逐滴加入0.76mL 3
‑
溴丙酸甲酯，在氮气吹扫、冰浴条件下反应40～50h后加入去离子水淬灭反应，减压旋蒸除去四氢呋喃；剩余的液体混合物经乙酸乙酯萃取3～5次，有机相加入MgSO4干燥除去剩余水分后过滤，减压旋蒸干大部分溶剂，粗产品经过柱层析分离提纯，得到纯净的EDOT
‑
COOCH3单体；
[0012](2)化学聚合PEDOT
‑
COOH的制备：
[0013]将1.45g FeCl3在氮气氛围下加入到装有30～40mL无水氯仿(CHCl3)溶剂中，再将0.64g EDOT
‑
COOCH3溶解至5～10mL无水氯仿中，然后逐滴加入到FeCl3的无水氯仿溶液中，磁力搅拌下室温反应20～30h；反应完毕后，将得到的混合溶液浸入到400～600mL甲醇中，离心得到沉淀，将得到的沉淀再多次用甲醇、去离子水洗涤，直至洗涤液澄清，得到纯净的聚合物PEDOT
‑
COOCH3；
[0014]将得到的聚合物PEDOT
‑
COOCH3加入到40～60mL、2mol/L NaOH溶液中，磁力搅拌下室温反应20～30h，过滤除去不溶部分；将得到的紫色滤液用质量分数10％的盐酸调节pH为1～2，得到黑色沉淀；再将黑色沉淀用去离子水清洗后在真空、40～50℃下干燥20～30h，从
而得到本专利技术所述的具有储能和生物降解性质的导电聚合物(PEDOT
‑
COOH)，产率为60～70％；
[0015](3)电化学聚合PEDOT
‑
COOH电极的制备:
[0016]将0.64g EDOT
‑
COOCH3加入40～60mL、2mol/L NaOH溶液中，磁力搅拌下室温反应20～30h；将得到的混合溶液用质量分数10％的盐酸调节pH为1～2，经乙酸乙酯萃取3～5次，有机相加入MgSO4干燥除去剩余水分后过滤，减压旋蒸干大部分溶剂，得到EDOT
‑
COOH单体，产率为90～95％；
[0017]将0.061g EDOT
‑
COOH溶解于20～30mL、0.1mol/L六氟磷酸四丁铵的乙腈溶液中，以镀金明胶导电基底为工作电极，Pt丝为对电极，Ag
+
电极为参比电极，将各电极通过导线连接到电化学工作站上，工作电极镀金一侧对准对电极，这样能够减小扩散阻力，方便聚合物的附着；设置电化学工作站参数，进行循环伏安法聚合：设定电化学工作站以0.1V/s的扫描速度，在
‑
0.6～1.8V之间扫描10～20个循环，从而在镀金明胶导电基底镀金一侧表面上生长一层致密的PEDOT
‑
COOH薄膜(厚度为400～600nm)，得到基于导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物，其结构式如下所示，其中，n为大于等于1的正整数。2.权利要求1所述的一种具有储能和生物降解性质的导电聚合物的制备方法，其步骤如下：(1)EDOT
‑
COOCH3单体的制备：将1.0g EDOT
‑
OH在氮气氛围下加入到25～35mL无水四氢呋喃溶剂中，再加入0.15～0.25g碘化钾和0.25～0.3g氢化钠，搅拌至溶液澄清；之后逐滴加入0.76mL 3
‑
溴丙酸甲酯，在氮气吹扫、冰浴条件下反应40～50h后加入去离子水淬灭反应，减压旋蒸除去四氢呋喃；剩余的液体混合物经乙酸乙酯萃取萃取3～5次，有机相加入MgSO4干燥除去剩余水分后过滤，减压旋蒸干大部分溶剂，粗产品经过柱层析分离提纯，得到纯净的EDOT
‑
COOCH3单体；(2)化学聚合PEDOT
‑
COOH的制备：将1.45g FeCl3在氮气氛围下加入到装有30～40mL无水氯仿溶剂中，再将0.64g EDOT
‑
COOCH3溶解至5～10mL无水氯仿中，然后逐滴加入到FeCl3的无水氯仿溶液中，磁力搅拌下室温反应20～30h；反应完毕后，将得到的混合溶液浸入到400～600mL甲醇中，离心得到沉淀，将得到的沉淀再多次用甲醇、去离子水洗涤，直至洗涤液澄清，得到纯净的聚合物PEDOT
‑
COOCH3；将得到的聚合物PEDOT
‑
COOCH3加入到40～60mL、2mol/L NaOH溶液中，磁力搅拌下室温反应20～30h，过滤除去不溶部分；将得到的紫色滤液用质量分数10％的盐酸调节pH为1～2，得到黑色沉淀；再将黑色沉淀用去离子水清洗后在真空、40～50℃下干燥20～30h，从而得到具有储能和生物降解性质的导电聚合物PEDOT
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【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，赵力，贾晓腾，朱梅华，彭润昌，马雪南，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：