[发明专利]在导电纤维上合成金属氧化物阵列的方法及纤维结构金属氧化物复合电极和应用

说明书

本发明提供了一种在导电纤维上合成金属氧化物阵列的方法及纤维结构金属氧化物复合电极和应用，以含有相应金属离子的溶液作为电解液，环状电极作阴极、导电纤维电极作阳极，保持导电纤维电极处于环状电极中心，并垂直于电解液面，控制电解液液面相对导电纤维匀速上升或下降，电解，分形结构金属氧化物阵列围绕导电纤维生长，并包裹整个导电纤维电极。本发明通过电化学方法直接沉积形成金属氧化物阵列，操作简单，并能有效控制金属氧化物阵列在导电纤维上的有序生长。

技术领域

本发明涉及一种在导电纤维上合成金属氧化物阵列的方法及由此得到的纤维结构金属\氧化物复合电极，本发明涉及该纤维结构金属氧化物复合电极的应用，属于电化学领域。

背景技术

金属氧化物是纳米材料研究中最有代表性的一类材料。金属氧化物纳米结构丰富，并且氧化物的性能强烈依赖于其结构和尺寸。采用阵列结构，依托其比表面积大等优点，更能显出金属氧化物的优势。同时，金属氧化物纳米结构阵列在微电子装置、能量转换和存储（光伏电池、锂电池、超电容、贮氢装置等）、化学生物传感器、光发射显示器、药物传输和分离以及光存储等方面有着潜在的应用价值。

近年来纤维结构的能源及微电子器件得到了广泛关注。通过在柔性纤维上生长组装氧化物半导体，形成纤维电极以及器件，并进而编织成织物形态，可以极大提高器件在穿戴应用中的性能以及舒适性。

为了提高器件性能，人们需要有效控制金属氧化物阵列在纤维上有序生长、形貌、表面积、孔隙率、材料尺寸等因素。

目前合成金属氧化物阵列的方法，包括水热、种晶诱导、低温液相法、多步合成等，不仅面临反应条件苛刻、过程繁琐等问题，而且大多针对传统平板电极提出，不利于在纤维界面上实现有序取向和规模化成膜，从而极大地限制了纤维氧化物电极在光电、能源和传感微系统中应用的结构和动力学优势。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种在导电纤维上合成金属氧化物阵列的方法，通过电化学方法直接沉积形成金属氧化物阵列，操作简单，并能有效控制金属氧化物阵列在导电纤维上的有序生长。第二目的在于提供由此方法制得的纤维结构金属氧化物复合电极，第三目的在于提供纤维结构金属氧化物复合电极的应用。

为了实现本发明的上述第一目的，本发明提供了一种在导电纤维上合成金属氧化物阵列的方法，其特征在于：以含有相应金属离子的溶液作为电解液，环状电极作阴极、导电纤维电极作阳极，保持导电纤维电极处于环状电极中心，并垂直于电解液面，控制电解液液面相对导电纤维匀速上升或下降，电解，分形结构金属氧化物阵列围绕导电纤维生长，并包裹整个导电纤维电极。

为了有效控制金属氧化物的阵列取向生长，我们摈弃了水热等常用方法，采取了在导电纤维上直接电沉积纳米阵列结构的方法。一方面，电沉积方法较其它方法更为简便，操作简单。另一方面，我们提出的方法可以有效控制金属氧化物阵列在导电纤维上的有序生长。在高曲率纤维上生长金属氧化物，不仅因电场强度大等优点更利于金属氧化物的阵列生长，而且纤维基底突破了平板等基底的尺寸大不利于精细加工等问题，为后续在智能服饰产业、电子产业等领域提供了基础。

本发明合成的金属氧化物阵列的形貌如图1和2所示，为类似水草的形状，这个结构的氧化物只会在气液两相界面上生长，随着移动包裹整个纤维，不同于在溶液中直接反应，只有界面加移动才会生成这种结构。液面相对导电纤维的移动方式可以为提拉法、液面下降法等。移动方向可上可下，上移和下移形貌区别不大，液面上涨的分支度会比液面下降的分支度稍微小一点。

上述方案中：电解电流密度为1 mA·cm^-2 ~ 10 A·cm^-2。

上述方案中：所述导电纤维为钛丝、铜丝、铂丝、不锈钢丝、碳纤维、镍丝、金丝、银丝、锌丝中的任意一种。

上述方案中：所述导电纤维的直径为0.01mm ~5mm。