一种水凝胶复合材料及其柔性能源器件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水凝胶复合材料及其柔性能源器件的制备方法，涉及热电纳米发电机领域，用碲作为水凝胶的功能层，制作Te/PEDOT:PSS/PVA水凝胶复合体系，并制备柔性能源器件，碲纳米材料具有高的塞贝克系数，有效提高了复合材料的热电转换能力，可用作高效的能量收集，在热能收集和温度传感方面有巨大的应用潜力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶复合材料及其柔性能源器件的制备方法


[0001]本专利技术专利涉及热电纳米发电机
，特别涉及水凝胶复合材料及其柔性能源器件的制备方法，实现能量的收集及传感。

技术介绍

[0002]热电纳米发电机是一种新型的能源获取方式，可以收集利用人体与外界温差产生的能量，并将其直接转化为电能。热电纳米发电机在物联网的应用中有着非常重要的作用，热电纳米发电机可以用作智能穿戴设备的电源。另外其自身也可以作为自驱动的传感器用于生物传感，健康检测等。
[0003]热电材料是一种基于热电效应，实现电输出或热输出的特殊材料，其中，热电效应是指利用温差产生电势或利用电势产生温差的现象，这些现象具体分别是塞贝克效应、帕帖尔效应和汤姆森效应。
[0004]碲纳米材料具有较好的热电转换能力。碲纳米材料由于高的塞贝克系数而拥有较好的热电转换能力，碲纳米线同时还具有相对较低的熔点、良好的光电导率，在产业化应用方面具有较大的潜力。
[0005]以前文献报道的热电水凝胶技术，如“PEDOT:PSS/PVA/Te ternary composite fibers toward flexible thermoelectric generator”中报道了使用葡萄糖水热还原亚碲酸钠来制备碲纳米线，并将其与PEDOT：PSS/PVA直接混合制备复合热电水凝胶。与之相比，本方法所制备的水凝胶具有高热电性能，优异的生物相容性、抗拉伸性和延展性。它具有三维的网络状结构并且能够在水中不被溶解并保持一定的性能，可以作为功能软材料的良好的载体。

技术实现思路

[0006]本专利技术使用具有优异生物相容性和延展性的柔性水凝胶材料作为基底，使用具有良好热电转换能力和良好电导率的碲纳米线材料作为功能层，制作了Te/PEDOT:PSS/PVA水凝胶复合材料，可以为智能穿戴设备供电。另外其自身也可以作为自驱动的传感器用于生物传感，健康检测等。
[0007]一种水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：将亚碲酸钠溶于PVP中形成前驱体溶液，与水合肼在水热釜中反应，反应结束后进行若干次离心提纯，干燥得到Te纳米线材料；将碲纳米线加入PEDOT:PSS水溶液超声后，再加入PVA不断加热搅拌，得到Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料。
[0008]进一步的，所述前驱体溶液的制备具体为以下步骤：1) 称量PVP在超纯水中完全溶解；2) 将Na2TeO3溶解于上述溶液中；再分别加入N2H4和氨水以形成前驱体溶液。
[0009]进一步的，所述水热反应的条件为180 ℃恒温。
[0010]进一步的，所述的离心提纯是待反应结束后，离心所得溶液以除去上清液，并使用
超纯水清洗、离心若干次。
[0011]进一步的，所述Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料的制备的具体步骤为：1)首先将PEDOT:PSS水溶液与PVA混合，然后将Te纳米材料加入到上述混合液中，再超声以获得Te/PEDOT:PSS溶液；2)将Te/PEDOT:PSS溶液和PVA 混合，在加热搅拌装置中加热持续搅拌，得到Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶预聚体；3)将水凝胶预聚体转移到模具中，反复融冻得到Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料。
[0012]本专利技术提供一种柔性能源器件的制备方法，使用前述任何一种的方法制备Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料，然后将得到的水凝胶复合材料剪切，其次把石墨片剪切成与水凝胶同样的大小并置于水凝胶复合材料的两侧，石墨片上连接铜导线，用导电胶将石墨和导线固定；待导电胶凝固后，串联若干个水凝胶得到柔性能源器件。
[0013]优选的，所述剪切的大小为30mm
×
15mm
×
1.5mm。
[0014]优选的，所述水凝胶串联的数量为六个。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的技术方案的优点，1.碲纳米材料具有高的塞贝克系数，有效提高了复合材料的热电转换能力，2.制备Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料以及器件，具有简单可加工性，高可拉伸性能够适应各种使用场景。
附图说明
[0016]图1是Te纳米线的扫描电子显微镜（SEM）图；图2是Te/PEDOT:PSS/PVA水凝胶复合材料的X射线光电子（XPS）能谱；图3是Te/PEDOT:PSS/PVA水凝胶复合材料的力学性能图；图4是不同含量的Te/PEDOT:PSS/PVA水凝胶的Seebeck系数对比图；图5是柔性水凝胶器件示意图；图6是水凝胶器件热电电压输出。
[0017]其中1是热端石墨电极，2是冷端石墨电极，3是水凝胶。
具体实施方式
[0018]下面结合附图对本专利技术的技术方案做解释。
[0019]步骤1：Te纳米线的制备1) 分别称量1 g PVP和33 ml超纯水，放入已清洗好的烧杯中，使PVP完全溶解；2) 将0.1 g Na2TeO3溶解于上述溶液中；再分别加入1.67 ml N2H4（水合肼）和3.35 ml 氨水以形成前驱体溶液；3) 将前驱体溶液转移到容积为100 ml的水热釜中，并将其置于干燥箱中，使其在180 ℃恒温条件下水热反应10小时；4) 待反应结束后，离心所得溶液以除去上清液，并使用超纯水清洗、离心多次，以获得高纯度产物；最后，将产物在65 ℃烘箱中干燥以获得碲纳米材料。
[0020]步骤2：Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶的制备1) 首先将PEDOT:PSS取5.67ml，然后分别加入0wt.%，0.5wt.%，1wt.%，1.5wt.%，
2wt.%的Te纳米材料到上述混合液中，再超声以获得一定浓度的Te/PEDOT:PSS溶液。
[0021]2) 将Te/PEDOT:PSS溶液和1g的PVA 混合并加入三颈烧瓶中，在加热搅拌装置中保持85℃持续搅拌30min，得到Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶预聚体。
[0022]3) 用胶头滴管将三颈烧瓶中的预聚体溶液转移到特定的模具中，在冰箱中反复融冻4次得到Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶。
[0023]步骤3：柔性能源器件的制备将得到的不同碲纳米线浓度的水凝胶复合材料制成10mm
×
10mm
×
1mm大小，再将石墨片剪切成与水凝胶同样的大小并置于水凝胶复合材料的两侧，石墨片上连接铜导线，用导电胶将石墨和导线固定；待导电胶凝固后，将6个水凝胶串联，得到柔性能源器件。
[0024]如图1所示，所制备好的碲纳米线在扫描电子显微镜展示了均一性良好的纳米尺寸。
[0025]如图2所示，复合水凝胶的XPS能谱谱展示了碲纳米线，PEDOT:PSS和PVA已经成功复合。
[0026]此外，为了测试不同碲纳米线含量的水凝胶复合材料的机械和热电性能，我们用万能拉力机测试了不同的水凝胶，得到了拉力测试图（如图3所示），发现含1.5wt.%的碲纳米线的水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将亚碲酸钠溶于PVP中形成前驱体溶液，与水合肼在水热釜中反应，反应结束后进行若干次离心提纯，干燥得到Te纳米线材料；将碲纳米线加入PEDOT:PSS水溶液超声后，再加入PVA不断加热搅拌，得到Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料。2.根据权利要求1所述水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液的制备具体为以下步骤：1) 称量PVP在超纯水中完全溶解；2) 将Na2TeO3溶解于上述溶液中；再分别加入N2H4和氨水以形成前驱体溶液。3. 根据权利要求1所述水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应的条件为180 ℃恒温。4.根据权利要求1所述水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述的离心提纯是待反应结束后，离心所得溶液以除去上清液，并使用超纯水清洗、离心若干次。5.根据权利要求1所述水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述Te/PEDOT:PSS/PVA 水凝胶复合材料的制备的具体步骤为：1)首先将PEDOT:PSS水溶液与PVA混合，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔思涛，谢燕楠，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：