[发明专利]基元序构化纤维素基纳米流体离子导体材料和制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种纤维素基纳米流体离子导体材料，由以下原料制得：纤维素、纤维素溶剂以及第一或第二功能性纳米填料。本发明公开的材料具有优异的电化学性质，也兼具较强的力学稳定性。本发明还公开了上述纤维素基纳米流体离子导体材料的制备方法，其具有低成本、工艺简单、绿色环保的特点。本发明还公开了所述纤维素基纳米流体离子导体材料在纤维素基纳米流体渗透能发电器中的应用，其拓展了天然高分子材料在光学、电学、储能及特殊功能化生物医用材料领域的应用。

技术领域

本发明涉及纳米流体领域，具体地涉及一种基元序构化纤维素基纳米流体离子导体材料和制备方法及应用。

背景技术

近年来，纳米流体离子导体系统的研究引起了广泛的关注，其中纳米流体通道内的离子，表现出与电解质溶液中离子明显不同的输运行为。这是由纳米流体通道的高度以及通道形成的双电层所决定的。这种离子的快速传输是一种理想的创新能源利用，在生物传感、能量储存和转换以及水处理等有很大的研究价值。纳米碳材料常用于功能化高分子材料以获得特殊功能的高分子复合材料，广泛应用于能源转换材料、储能材料、导电材料和生物医用材料等领域，是一种理想的高附加值填料。Hu等(J.Am.Chem.Soc.2019,141,17830)从木材中提取纳米纤维素，并促使纳米纤维素包裹住纳米厚度的石墨烯片，形成多个二维约束空间，制备了一种生物质纳米流体通道。本发明利用绿色溶剂体系(碱/尿素水体系)，通过分别在纤维素溶液中掺杂纳米碳材料石墨烯和碳纳米管制备了一种高附加值功能化纤维素基材料。制备工艺简单且绿色环保。

以往大多数具有纳米流体通道的材料是由聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸盐等石油基合成聚合物组成的。然而，它们都是不可再生，不可降解的材料，长此以往会造成严重的环境问题；此外，尽管在实验室条件下有序纳米通道的制备已经取得了很大的进展，但常常需要高成本、复杂和耗时的光刻工艺、原子层沉积等制造方法，在可扩展的商业应用方面仍然存在挑战。因此，利用自然界储量最丰富、低成本和可再生的纤维素材料，设计具有优异离子传输性能的取向纳米结构离子膜还有待开发。目前一些科研人员从自然取材，利用天然木材设计纳米流体材料，解决了高成本及环境污染等问题。例如，李恬等(Sci.Adv.2019,5,u4238)利用木材的天然取向纳米微结构，自上而下的制备了具有纳米流体效应的木膜；马里兰大学的胡良兵等基于木材设计一类纳米流体木膜实现了低热量的再回收(Nat.Mater.2019,18,608)、盐浓度梯度的渗透发电(Adv.Energy Mater.2019,1902590)。

因此，亟需找到一种新的基元序构化纤维素基纳米流体离子导体材料及其制备方法，以克服上述性能缺陷。

发明内容

本发明基于纳米材料在能源转换材料、储能材料、导电材料和生物医用材料等领域广泛的应用。我们通过对纤维素溶液分别掺杂第一和/或第二功能性纳米填料，利用“自上而下”的策略，即从纤维素的分子链层次，通过溶解棉花、化学修饰等方法制备了一种绿色环保、可再生、可降解的功能性的纤维素基纳米流体离子导体材料，并实现其在盐梯度浓度渗透发电领域的应用。

本发明的一个目的在于提供一种基元序构化纤维素基纳米流体离子导体材料，其通过以下技术手段得以实现：

一种纤维素基纳米流体离子导体材料，其由以下质量份数的原料制得：

其中，所述基元序构化纤维素基纳米流体离子导体材料制得前，需要经氧化处理；

纤维素溶剂中包含碱、尿素和水；

第一功能性纳米填料包括碳纳米管或羧基化碳纳米管的一种或两种；

第二功能性纳米填料包括石墨烯、氧化石墨烯、MXene、氮化硼纳米片或羟基化氮化硼纳米片的一种或多种。

进一步地，所述纤维素溶剂包括以下质量份数的成分：

碱6-12份；尿素10-17份；水71-84份。