一种含花状聚苯胺导电水凝胶、制备方法及其在一体式超级电容器中的应用技术

本发明专利技术属于超级电容器技术领域，具体公开了一种含花状聚苯胺导电水凝胶、制备方法及其在一体式超级电容器中的应用。本发明专利技术制备了一种新型的微晶纤维素/β

【技术实现步骤摘要】
一种含花状聚苯胺导电水凝胶、制备方法及其在一体式超级电容器中的应用


[0001]本专利技术属于超级电容器
，涉及一种含花状聚苯胺导电水凝胶、制备方法及其在一体式超级电容器中的应用。

技术介绍

[0002]现在，随着便携式、可穿戴电子设备的快速发展，柔性显示器、弯折智能手机、可折叠电容式触摸屏、电子皮肤、植入式医疗器械已经应用于智能设备、微机器人、医疗监护、康复和运动检测等多个领域。考虑到要为这些电子设备可以灵活的供电。因此，需要设计出体积小、重量轻、安全性高、机械耐久性好、电化学性能优异的储能装置。这样可以使它们在发生弯曲对折等状态仍然保持优良的电化学性能。储能装置包括电容器、化学电池和超级电容器。传统电容器具有高的功率密度和低的能量密度，而化学电池具有高的能量密度和低的功率密度。超级电容器是介于传统电容器和化学电池之间的一种储能装置。与化学电池相比，它具有更高的能量密度、更快的充放电速率和更长的使用寿命。因此，制备柔性的超级电容器成了便携式、可穿戴电子设备中储能装置的研究重点。
[0003]根据设备的结构，柔性超级电容器可以分为一体式柔性超级电容器和非一体式柔性超级电容器。非一体式柔性超级电容器是由柔性电极、柔性电解质和分离器组成。它们按照电极
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电解质
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电极的顺序组装而成，电极与电解质中间用分离器隔开。但是，这种传统的夹层结构会导致柔性超级电容器产生较大的接触电阻和界面扩散电阻，最终影响整个柔性超级电容器的电化学性能。因此亟需一种一体式柔性超级电容器，提高其电化学性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术当中存在的问题，提供一种含花状聚苯胺导电水凝胶、制备方法及其在一体式超级电容器中的应用，本专利技术所提供的含花状聚苯胺的一体式超级电容器将电极、电解质、分离器集成在柔性基体上，这不仅降低了界面扩散电阻，还避免了使用非活性物质(如聚偏二氟乙烯等)，有效提高了器件的性能。基于上述优点，一体式柔性超级电容器更加适合作为柔性电子设备的储能装置。
[0005]一种含花状聚苯胺导电水凝胶，包括微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶，所述微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶两侧原位聚合苯胺。
[0006]一种含花状聚苯胺导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0007]通过一锅法制备微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶；将苯胺原位聚合到制备的微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶的两侧，形成一体化结构的聚苯胺导电水凝胶。
[0008]所述含花状聚苯胺的一体式超级电容器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0009](1)将微晶纤维素溶液和β
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环糊精溶液混合均匀后，制备得到微晶纤维素/β
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环糊精溶液；
[0010](2)将环氧氯丙烷加入步骤(1)得到的微晶纤维素/β
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环糊精溶液中，并在机械搅拌的过程中加入丙烯酰胺、N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，得到透明溶液；
[0011](3)将步骤(2)得到的透明溶液倒入模具，在40～80℃保持5～8h进行交联得到基体水凝胶，即微晶纤维素/β
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环糊精/丙烯酰胺水凝胶；
[0012](4)将步骤(3)制备得到的基体水凝胶浸泡于苯胺/盐酸的溶液中，滴加过硫酸铵/盐酸溶液，搅拌5～7h，反应完成后用去离子水冲洗去除水凝胶表面沉积的聚苯胺颗粒，并将其浸泡在磷酸溶液中以去除过硫酸铵，随后浸泡于苯胺/盐酸溶液中，得到聚苯胺导电水凝胶。
[0013]步骤(1)中，所述微晶纤维素和β
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环糊精的浓度均为1.5～4wt％。所述β
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环糊精不仅能与微晶纤维素形成交联网络结构，还能作为胶黏剂使苯胺更容易聚合在水凝胶中。
[0014]步骤(2)中，所述环氧氯丙烷/微晶纤维素的摩尔比小于9。
[0015]优选的，所述环氧氯丙烷的加入温度为0℃。
[0016]步骤(2)中，β
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环糊精：微晶纤维素：丙烯酰胺的摩尔比为(10～12)：(75～80)：(115～120)；N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺的加入量为基体水凝胶总质量的0.17～0.18wt％；过硫酸钾的加入量为基体水凝胶总质量的1.7～1.8wt％。
[0017]优选的，步骤(3)中，所述交联温度为60℃。
[0018]步骤(4)中，苯胺/盐酸溶液中，所述苯胺的浓度为0.5～2mol/L。
[0019]步骤(4)中，过硫酸铵/盐酸溶液中，过硫酸铵的浓度为0.125～1.25mol/L。
[0020]步骤(4)中，所述磷酸溶液的摩尔浓度为0.5～2M。
[0021]所述苯胺纯度≥99.9％，盐酸浓度35～38％；所述苯胺在使用前需要经过减压蒸馏纯化。
[0022]本专利技术制备了微晶纤维素、β
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环糊精的微晶纤维素/β
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环糊精溶液后，使用环氧氯丙烷和N，N
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亚甲基双丙烯酰胺作为化学交联剂，分别使微晶纤维素、β
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环糊精发生交联反应生成第一交联网络，聚丙烯酰胺交联生成第二交联网络。环氧氯丙烷的环氧基与氯原子分别和微晶纤维素和β
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环糊精上的羟基发生开环反应生成醚键，形成β
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环糊精/微晶纤维素的第一交联网络。通过控制环氧氯丙烷/微晶纤维素的摩尔比小于9来防止相邻纤维素之间的交联(环氧氯丙烷与纤维素反应机理)，从而形成第一交联网络(在不添加丙烯酰胺的情况下不能形成水凝胶)。丙烯酰胺与N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺发生交联反应生成第二交联网络。从而形成同步互穿IPN水凝胶。随后，将微晶纤维素/β
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环糊精/丙烯酰胺水凝胶转移到稀盐酸盐溶液中以终止化学交联反应。
[0023]本专利技术还提供了上述聚苯胺导电水凝胶在一体式超级电容器中的应用，将聚苯胺导电水凝胶切割后置于磷酸溶液中，使水凝胶充满电解质溶液，得到含花状聚苯胺的一体式超级电容器。
[0024]所述磷酸溶液中，磷酸和水的体积比为(0.5～1.5)：(0.5～1.5)。
[0025]所述含花状聚苯胺的一体式超级电容器具有较强稳定性：聚苯胺的胺基和亚胺基可以和基体水凝胶中的纤维素、β
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CD中的羟基形成氢键；微晶纤维素中纤维素II晶型的微晶水合物诱导基体水凝胶与聚苯胺发生物理交联；分子链之间相互缠结。
[0026]本专利技术的技术优势如下：
[0027](1)本专利技术通过β
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环糊精使苯胺快速聚合，形成片状结构，进行堆接形成花状结
构，得到的含花状聚苯胺的一体式超级电容器，显著提高了单片超级电容器的电化学性能。
[0028](2)本专利技术将电极、电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含花状聚苯胺导电水凝胶，其特征在于，包括微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶，所述微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶两侧原位聚合苯胺。2.一种如权利要求1所述的含花状聚苯胺导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：通过一锅法制备微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶；将苯胺原位聚合到制备的微晶纤维素/β
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环糊精/聚丙烯酰胺水凝胶的两侧，形成一体化结构的聚苯胺导电水凝胶。3.根据权利要求1所述的含花状聚苯胺导电水凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)将微晶纤维素和β
‑
环糊精混合均匀后，制备得到微晶纤维素/β
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环糊精溶液；(2)将环氧氯丙烷加入步骤(1)得到的微晶纤维素/β
‑
环糊精溶液中，并在机械搅拌的过程中加入丙烯酰胺、N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，得到透明溶液；(3)将步骤(2)得到的透明溶液倒入模具，在40～80℃保持5～8h进行交联得到基体水凝胶，即微晶纤维素/β
‑
环糊精/丙烯酰胺水凝胶；(4)将步骤(3)制备得到的基体水凝胶浸泡于苯胺/盐酸的溶液中，滴加过硫酸铵/盐酸溶液，搅拌5～7h，反应完成后用去离子水冲洗去除水凝胶表面沉积的聚苯胺颗粒，并将其浸泡在磷酸溶液中以去除过硫酸铵，随后浸泡于苯胺/盐酸溶液中，得到聚苯胺导电水凝胶。4.根据权利要求3所述的含...

【专利技术属性】
技术研发人员：高瑞，孟庆虎，吴月，杨志洲，张圣，王志国，宋纯林，于璐，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：