一种PPy@Cu-CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种PPy@Cu

【技术实现步骤摘要】
一种PPy@Cu
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CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于新能源材料
，涉及一种PPy@Cu
‑
CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]智能手机、多功能服装、保健腕带等具有吸引力的可穿戴电子设备的开发与柔性储能设备密切相关。可穿戴储能设备正向着可弯曲、可扭曲甚至可伸缩的方向发展。其中，一维柔性超级电容器(1D
‑
FSCs)是最有前途的电子储能系统之一，它通过静电作用和/或法拉第氧化还原反应储存电荷。此外，1D
‑
FSCs由于其安全性高、稳定性好、生态友好、可纺织性强和宽工作温度范围等优点，在新兴的柔性电子设备市场受到欢迎。
[0003]近年来，大量研究将重点放在开发不同种类的1D柔性衬底活性材料上，如CNTs纤维、rGO纤维、PEDOT:PSS纤维、碳化PAN纤维、MXene纤维等。然而，这些纤维有一定的缺陷。对于CNTs纤维和碳化PAN纤维来说，繁琐的制造工艺带来的高成本限制了它们的广泛应用。此外，碳化PAN纤维化学惰性大，比表面积小，本身不具备储存能量的能力。而MXene纤维易氧化，不能作为正电极材料使用。相比之下，PEDOT:PSS纤维(PFs)具有优良的导电性、固有柔韧性、良好的润湿性和储能性能，是理想的一维光纤。然而，纯PFs的比电容仍未达到实用的标准，由于其致密的结构，其面积电容仅为119mF cm
‑2，能量密度为4.13Wh/>‑2(J.Mater.Chem.A,2016,4(30):11616
‑
11624)。因此，迫切需要探索PFs电极的混合/复合材料，以提高其电容容量，满足可穿戴电子产品的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了提供一种PPy@Cu
‑
CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料及其制备和应用。通过该方法制备的一维柔性超级电容器电极材料实现了高导电性、高比电容、高机械强度、高循环稳定性和可穿戴性，并且可以直接用作电极，被认为是一种理想的可穿戴柔性超级电容器电极材料。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]本专利技术的技术方案之一提供了一种PPy@Cu
‑
CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)取PEDOT:PSS加热浓缩后，离心去除多余气泡，获得均匀的纺丝原液；
[0008](2)将纺丝原液通过注射器挤入到乙醇/水的凝固浴中，收集沉积凝固浴底部的PEDOT:PSS纤维，再分别在乙二醇、异丙醇和浓硫酸中浸泡，晾干，记为PFs；
[0009](3)取Cu(CH3COO)2·
H2O和HHTP均匀分散于去离子水和DMF的混合溶剂中，搅拌超声，得到深色混合溶液；
[0010](4)将PFs浸入步骤(3)所得深色混合溶液中，室温反应，所得产物洗涤晾干，得到Cu
‑
CAT@PFs纤维；
[0011](5)取Py单体加入到去离子水中，加入NaClO4，搅拌得到悬浮沉积溶液，同时以所得Cu
‑
CAT@PFs纤维为工作电极构建三电极体系，并以悬浮沉积溶液作为电解液进行电沉积处理，所得产物清洗晾干，即得到目标产物。
[0012]进一步的，步骤(1)中，所得纺丝原液的质量分数为2.5～3.5％，优选为3％。加热浓缩的温度可以是60℃，先在60℃下加热浓缩，然后放置在3000转/分的离心机中30分钟，目的是缩短PDEOT:PSS大分子之间的距离，从而增加PDEOT:PSS得到可纺性。
[0013]进一步的，步骤(2)中，凝固浴中乙醇和水的体积比为(2～4)：1，优选为3：1，且含有质量分数为2.5～3.5％的CaCl2、FeCl3、ZnCl2或MnCl2。更具体的，注射器含有20G微针，并连接注射泵，在此凝固浴过程中，可以设置放置凝固浴的旋转台的转速为15r/min，注射泵流速为在3mL min
‑1。
[0014]进一步的，步骤(3)和步骤(4)中，每根PFs所对应的Cu(CH3COO)2·
H2O、HHTP、去离子水、DMF的添加量分别为(30
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40)mg，(25
‑
35)mg，(1
‑
2)mL，(1
‑
2)mL：单根PFs的长度为5
‑
6cm，半径为60
‑
100μm。
[0015]进一步的，步骤(3)中，搅拌的时间为5min，超声时间为10min。
[0016]进一步的，步骤(4)中，室温反应的时间为12
‑
36h，优选为24h。
[0017]进一步的，步骤(5)中，Py单体、去离子水和NaClO4的添加量之比为(0.5～1.5)mL：(40
‑
80)mL：(0.4～0.5)g。
[0018]进一步的，步骤(5)中，三电极体系中，以Cu
‑
CAT@PF为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极。
[0019]进一步的，步骤(5)中，电沉积处理具体为：在0.7～0.9V恒压下电沉积60～120s，优选在0.8V恒压下电沉积90s。
[0020]本专利技术的技术方案之二提供了一种PPy@Cu
‑
CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料，其采用如上所述的制备方法制备得到。
[0021]本专利技术的技术方案之三提供了一种PPy@Cu
‑
CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料的应用，该电极材料用于超级电容器中。上述应用中，PPy@Cu
‑
CAT@PFs直接作为超级电容器的电极材料，在常规三电极体系评价其电化学性能，铂丝为对电极，银/氯化银电极为参比电极，电解液优选为3M KCl。
[0022]本申请采用PDEOT:PSS为原料，先在60℃下加热浓缩，然后放置在3000转/分的离心机中30分钟，目的是缩短PDEOT:PSS大分子之间的距离，从而增加PDEOT:PSS得到可纺性。接着通过注射泵将浆料挤入含有二价阳离子的凝固浴中，凝固成PEDOT:PSS纤维。接下来用乙二醇、异丙醇和浓硫酸处理该纤维，目的是去除PEDOT:PSS纤维中不导电的PSS，并获得PFs。接下来分别通过常温原位生长法和电化学沉积法在PFs上生长/沉积Cu
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CAT纳米纤维和PPy，目的是增加PFs的活性位点以提高比电容。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0024](1)本专利技术采用湿法纺丝工艺，不需要复杂的仪器，可节约成本。
[0025](2)所制备的PFs具有高导电性和高机械强度，适合用于纺织产品。与纯PFs相比，所合成的三元PPy@Cu
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CAT@PFs复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PPy@Cu
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CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取PEDOT:PSS加热浓缩后，离心去除多余气泡，获得均匀的纺丝原液；(2)将纺丝原液通过注射器挤入到乙醇/水的凝固浴中，收集沉积凝固浴底部的PEDOT:PSS纤维，再分别在乙二醇、异丙醇和浓硫酸中浸泡，晾干，记为PFs；(3)取Cu(CH3COO)2·
H2O和HHTP均匀分散于去离子水和DMF的混合溶剂中，搅拌超声，得到深色混合溶液；(4)将PFs浸入步骤(3)所得深色混合溶液中，室温反应，所得产物洗涤晾干，得到Cu
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CAT@PFs纤维；(5)取Py单体加入到去离子水中，加入NaClO4，搅拌得到悬浮沉积溶液，同时以所得Cu
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CAT@PFs纤维为工作电极构建三电极体系，并以悬浮沉积溶液作为电解液进行电沉积处理，所得产物清洗晾干，即得到目标产物。2.根据权利要求1所述的一种PPy@Cu
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CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所得纺丝原液的质量分数为2.5～3.5％。3.根据权利要求1所述的一种PPy@Cu
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CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，凝固浴中乙醇和水的体积比为(2～4)：1，且含有质量分数为2.5～3.5％的CaCl2、FeCl3、ZnCl2或MnCl2。4.根据权利要求1所述的一种PPy@Cu
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CAT@PFs纤维状超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中，每根PFs所对应的Cu(CH3COO)2·
H2O、HHTP、去离子水、DMF的添加量分别为(30

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡克峰，刘月鑫，李晓玉，李佳佳，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：