[发明专利]一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法。本发明采用纤维素原料、含嘌呤结构材料作为主要材料，采用接枝或交联等方法，如采用环氧氯丙烷、高碘酸钠接枝或甲醛交联，制备含嘌呤结构的纤维素改性材料。材料选用包括腺嘌呤、一磷酸腺苷等廉价材料。该工艺方法成熟，工艺流程简单，所用原料成本低。所制备材料属于国家大力发展的新电子/能源材料的范畴，在导电薄膜、柔性电极、柔性电容器和燃料电池用质子交换膜等方面具有广泛引用前景，是当前我国国民经济和社会发展的客观需要和迫切需要解决的科技问题。

技术领域

本发明属于电化学能源储存及能源转化领域，具体涉及一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中产量最大、分布最广的一类天然高分子。与人工合成的高分子相比，其具有环境友好、生物相容、生物降解以及来源广泛等优点。这些优良的性能以及目前人类所面对的一系列能源、环境等问题使得纤维素及其功能化方面的研究成为当今国际科学研究的前沿热点领域之一。除了具有纤维素的诸多优点外，纳米纤维素还具有有纳米尺寸的精细结构、较高的强度、较低的热膨胀系数等特点，此外，纳米纤维素原有的高吸水性、溶胀性、生物相容性等特性使其易于成膜与凝胶化，可以作为结构稳定、机械性能优良的载体材料、基体材料或者骨架支撑材料，与无机纳米材料(纳米晶体、纳米线、纳米管)、金属离子及其氧化物、碳纳米管、石墨烯(氧化石墨烯)、导电高分子等复合，可以得到高导电性、光电转换性、电化学氧化还原特性的特殊功能新型纳米材料。除此之外，近几年来，随着化学、机械、酶催化等方法的合理利用与工艺优化，大规模化、高效率和低成本的生产纳米纤维素得以实现。

虽然纳米纤维素因其分子结构多羟基的特性会吸附电解质溶液而对离子传导启动促进作用，但因其受对电解质液的吸附量较容易收到环境变化的影响，因而会对超级电容器的性能产生影响。电化学活性物质在充放电过程中总会伴随着体积的变化。这种电化学活性物质在充放电过程中体积的改变将严重影响储能器件的性能以及使用寿命。因此，纳米纤维素在柔性导电/离子材料上尚有较大发展潜力。

近年来，含氮杂环的化合物在导电薄膜、超级电容器上得到越来越多的关注。一方面，由于氮原子上有孤对电子能提供给金属化合物中金属的空轨道，生成的络合物具有高效催化活性、对贵金属化合物具有吸附性或铁磁性，而且这类化合物玻璃化温度高，具有优良的抗氧化性、热稳定性，因此在高温低湿条件下能保持很好的性能。另一方面，由于氮原子特有的结构使其既可以成为质子载体，又可以成为质子受体。目前，研究较多的氮杂环化合物包括咪唑、吡啶、聚苯并咪唑。

而嘌呤是一种有机芳香碱，与核糖或脱氧核糖通过糖苷键结合形成腺苷或脱氧腺苷。它的4个共轭的氮结构使它有望成为良好的质子給体和质子受体应用在导电材料上，其结构式如下所述，分别为腺嘌呤、一磷酸腺苷和2,6-二氨基腺嘌呤的化学结构式。

关于嘌呤这类氮杂环化合物对于纳米纤维素的改性以提高其导电或离子传导活性的研究尚未见报道。

发明内容

针对目前纤维素基离子导电材料制备方法上存在的缺陷和不足。本发明提供了一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法：采用纤维素、含嘌呤结构材料作为主要材料，采用不同的接枝或交联原料(环氧氯丙烷、高碘酸钠、甲醛等)和方法制备新型含嘌呤结构的纤维素材料。含嘌呤结构材料选用包括腺嘌呤、一磷酸腺苷等廉价材料。该工艺方法成熟，所用原料成本低。该方法研究所制备材料属于国家大力发展的新电子/能源材料的范畴，在导电薄膜、柔性电极、柔性电容器和燃料电池用质子交换膜等方面具有广泛引用前景，是当前我国国民经济和社会发展的客观需要和迫切需要解决的科技问题。该材料的发展和应用过程中结合目前制浆造纸工业已有的设备和工艺，不仅有利于降低成本，便于实现连续工业化生产，为新兴电子、能源设备的发展添加助力，为解决电子工业目前面临的电子垃圾所造成的环境污染问题提供新的思路，具有良好的环境和社会效益。