[发明专利]一种取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶的制备方法及应用

说明书

本发明属于柔性可穿戴领域，公开了一种取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶的制备方法及应用。该水凝胶的制备方法具体包括以下步骤：使用硫化镉纳米线模板法合成硫、氮掺杂的碳空心管，将其超声分散在海藻酸钠和PEDOT:PSS的共混水溶液中，用进步器匀速将其从注射器中挤到交联剂中，迅速固化成纤维状水凝胶。其中，硫氮掺杂的碳空心管在水凝胶内部取向排列，平行于水凝胶的长轴方向排列。以此水凝胶为电极材料，以PVA/H₂SO₄为电解质，组装形成全固态柔性超级电容器。本发明所制备的纤维状水凝胶超级电容器，在柔性和便携式电子设备领域有着很好的应用前景。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴领域，特别涉及一种取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶的制备方法及应用。

背景技术

碳空心管由于其纳米级的尺寸和优良的机械性能、电性能和光学性能，近年来在超级电容器等能源领域受到了广泛的关注。此外，其具有非常规则的孔结构，较大的比表面积，能在电解质的交界面形成双电层，从而可聚集大量电荷。此外，其孔结构可以控制充、放电过程中带来的体积变化，对电化学性能及其在储能领域的应用中有着深远的影响。研究表明：碳材料中掺杂硫可改善并引入更多的活性位点，减少体积膨胀，能显著提高超级电容器电极材料的电化学性能；而氮原子掺杂可以激活碳材料中的储存位点，提高碳材料的导电性，更是有利于电化学性能的提高。同时，碳管的取向排列也会带来独特的性能，如取向的碳纳米管已经被组装成拉伸强度比碳纤维更强的纤维材料。

近年来，水凝胶体系不断丰富，性能不断优化，其突出的亲水性、透光性、弹性和自修复等性能对于功能储能设备都是十分重要的性质。更重要的是，丰富的聚合物化学和工程技术赋予水凝胶材料很大的设计能力和可调性。而具有取向结构的水凝胶在材料、生物医学以及柔性器件等领域都有着广阔的应用前景。

目前，已有部分文献和专利报道将碳纳米管及水凝胶用于柔性器件方面。例如，中国发明专利公开号CN109659161A中采用化学气相沉积工艺获得取向碳纳米管/活性木碳，构建了柔性自支撑超级电容器，柔性多单元超级电容器具有优异的弯曲性能，可作为便携式储能装置。而在授权文本CN106449135B中通过干法将化学气相沉积法生长的碳纳米管阵列原位转移至柔性基底上，再将二硫化钼溶液滴涂在碳纳米管膜上作为电极，以H₃PO₄-PVA水凝胶作为电解质，制备了有序碳纳米管/二硫化钼材料的柔性可拉伸超级电容器。同时，中国发明专利公开号CN107958794A描述了将氧化石墨烯和抗坏血酸水热合成具有孔状结构的石墨烯水凝胶，以H₂SO₄-PVA为凝胶电解质制作柔性超级电容器。然而，上述取向碳管的方法步骤较为复杂，操作繁琐。同时，研究杂原子掺杂、取向排列的碳电极材料及导电聚合物协同作用对于纤维状水凝胶超级电容器电极性能的影响鲜少报道，有必要进一步深入探索。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶的制备方法。本发明首先合成硫氮掺杂的碳空心管，然后用简单的办法使其在水凝胶中取向排列，将海藻酸钠、硫氮掺杂碳纳米管与导电高分子PEDOT：PSS共混，采用进步器匀速将其推出注射器进入到交联剂当中，采用本发明方法简便、降低成本，解决碳基柔性超级电容器的能量密度十分有限的问题，利用碳空心管双电层电容和导电聚合物赝电容的协同作用来提高电极材料的比电容、功率密度和能量密度。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶。

本发明再一目的在于提供上述取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种取向结构的碳空心管/PEDOT:PSS水凝胶的制备方法，包括以下步骤：