[发明专利]一种基于丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶单电极摩擦纳米发电机的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶单电极摩擦纳米发电机的制备方法，该方法采用一锅法的合成策略制备丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶，用制备的水凝胶作为摩擦纳米发电机的电极并构建摩擦纳米发电机，构建的摩擦纳米发电机的电极具有高透过、低成本、制造简单和高输出性能等特点，为制备柔性可穿戴电子器件的发展创造有利的条件。

技术领域

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种基于丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶单电极摩擦纳米发电机的制备方法。

背景技术

摩擦纳米发电机是一种实现自供电传感和低频能量采集的新兴技术，在柔性和可穿戴电子设备中具有巨大的应用潜力。柔性摩擦纳米发电机要求摩擦层和电极层都是柔性和可拉伸的。柔性摩擦电层的柔性材料有很多，但柔性电极材料是有限的，柔性电极材料不会因受到拉伸、扭转、弯曲和其它外力而破坏。传统的柔性导电材料，如导电银浆、导电银纳米线、导电碳纳米管、导电石墨烯等，由于成本过高或制备工艺复杂，难以大规模生产，因此，迫切需要探索和开发高性能的柔性电极材料。同时，隐形可增加穿戴的美感，这要求柔性电极材料具有高透明性。与传统的金属电极相比，水凝胶是一种新兴的柔性电极材料，它们特殊的网状结构和高亲水性使其能够容纳大量的水，通过使用一些特定的聚合物和聚合物网络，赋予它们高透明度、高柔韧性、高拉伸性、良好粘弹性以及良好的生物相容性，这些特性使它们能够作为柔性电极材料并在摩擦纳米发电机领域有着更好的应用。目前，报道的一种高输出自愈型单电极式摩擦纳米发电机的主要采用石墨烯、甘油和聚乙烯醇等材料作为电极。虽然制造的摩擦纳米发电机有较高的输出性能，但难以实现高的透过性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的基于丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶单电极摩擦纳米发电机的制备方法，该方法采用一锅法的合成策略制备丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶，用制备的水凝胶作为摩擦纳米发电机的电极并构建摩擦纳米发电机，构建的摩擦纳米发电机的电极具有高透过、低成本、制造简单和高输出性能等特点，为制备柔性可穿戴电子器件的发展创造有利的条件。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶单电极摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将羧甲基纤维素溶于超纯水中并充分分散均匀得到溶液B0；

步骤S2：将六水合氯化铁溶于超纯水中并充分分散均匀得到溶液B1；

步骤S3：将氯化钠溶入超纯水中搅拌混合均匀后加入丙烯酸和交联剂N,N-亚甲基丙烯酰胺，搅拌完成后超声得到溶液B2；

步骤S4：在溶液B2中相继加入溶液B0和溶液B1，最后加入过硫酸铵，搅拌混合均匀后置于60~80℃鼓风干燥箱中干燥1~2h得到目标产物丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶；

步骤S5：将得到的丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶作为摩擦纳米发电机的电极，聚四氟乙烯作为摩擦层，构建摩擦纳米发电机。

进一步优选，步骤S1中羧甲基纤维素的用量为0.2~0.6g，超纯水的用量为10~30mL。

进一步优选，步骤S2中六水合氯化铁的用量为1.5~3.5g，超纯水的用量为10~30mL。

进一步优选，步骤S3中氯化钠的用量为0.5~1.5g，超纯水的用量为20~40mL，丙烯酸的用量为4~6mL和交联剂N,N-亚甲基丙烯酰胺的用量为0.003~0.005g，所得的混合液搅拌2~3h，并超声20~30min；

进一步优选，步骤S4中溶液B0的用量为5~6mL，溶液B1的用量为0.4~0.7mL，过硫酸铵的用量为0.071g，丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶的厚度为2mm。

进一步优选，步骤S5中摩擦纳米发电机中丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶与聚四氟乙烯依次交替叠压形成夹心结构，导线一端连接丙烯酸/羧甲基纤维素水凝胶，另一端穿过聚四氟乙烯连接外部电路以导出电流。