[发明专利]一种基于纤维素纳米纤维的金属网格柔性透明导电电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纤维素纳米纤维的金属网格柔性透明导电电极及其制备方法，包括以下步骤：(1)选取基底材料，清洗后干燥，然后进行亲水性处理；(2)选取牺牲层材料，设置在基底材料表面，加热形成自然龟裂模板，接着在自然龟裂模板的网络裂缝中沉积上金属颗粒，然后清洗除去龟裂模板，得到金属网络；(3)制备TEMPO‑CNFs分散液，将其设置在金属网络上并延展成膜，使金属网格嵌入膜中，干燥后取下薄膜，即制得基于纤维素纳米纤维的金属网络柔性透明导电电极。该柔性透明薄膜电极具有高导高透、可生物降解、温度变化耐受力强、工艺简单等优势，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于薄膜电极技术领域，具体涉及一种基于纤维素纳米纤维的金属网格柔性透明导电电极及其制备方法。

背景技术

随着柔性电子技术的发展，透明导电电极(Transparent conductiveelectrodes,TCEs)，兼具高导电性(电阻率小于10^-3Ω·cm)和高透光性(透射率大于80％)，被广泛应用在液晶显示、太阳能电池、有机发光二极管(OLED)、触摸屏、电子纸、电子皮肤等各种电子器件中。其中，光伏能源产业发展飞速，柔性钙钛矿太阳能电池(FlexiblePerovskite solar cells,FPSCs)等新型研究热点对透明导电电极的性能的要求也越来越高，例如基于金属氧化物电子传输层的FPSCs在制备过程中通常要求柔性衬底具有较好的耐热性。

氧化铟锡((Indium Tin Oxide,ITO)是迄今为止最成功的透明导电电极(商用ITO透光率在85％左右，方阻在10～20Ω/sq左右)。然而，由于ITO含有稀有金属铟元素以及具有的陶瓷易碎特性，严重限制了其在柔性电子器件中的应用。由此，全球的研究人员研发了多种ITO替代透明导电材料，如石墨烯、碳纳米管、透明导电高聚物、纳米线、规则金属网格以及随机金属网格等。碳系石墨烯和碳纳米管等碳基材料虽然具有较高的电子迁移率、较好的化学稳定性和热稳定性，但存在导电性有限、难以大规模制备、成本高等问题；导电聚合物虽然具有成本低、可满足卷对卷制备工艺的特点，但其与传统ITO等透明电极相比电导率和透光率都偏低；金属纳米线通常具有良好的导电性能，但高质量金属纳米线较难批量制备，导致高质量纳米线成本高等问题；金属网格/网络通常电阻较小、抗弯折性好，光学透过率和电阻率可以独立调节，且可满足卷对卷工业生产，被认为是最具发展潜力的ITO等传统透明导电电极替代材料。此外，当前对薄膜电极的研究主要集中在电极本身，对材料的绿色和可降解性的研究较少，常用的柔性透明衬底材料PET、PEN等高聚物的自然降解性一般较差，且耐热温度通常不高于130℃。

纤维素(Celluouse)是自然界中产量最大、分布最广的一类天然高分子，几乎被视为一种取之不尽的绿色原料。将纤维素进行纳米化(超微细化)处理后制成的“纤维素纳米纤维”(Celluouse Nanofibers，CNFs)是一种新型的纳米材料，具有轻质柔韧、高杨氏模量、无毒易降解(环保)、生物相容性好、热膨胀率低和温度变化耐受力强等优点，进一步通过2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基(TEMPO)氧化法(Biomacromolecules.2007,8,2485-2491)处理后的氧化纤维素纳米纤维(TEMPO-CNFs)具有良好的成膜性，同时成膜具有优良的光透过性，是一种优良的电极基底材料。中国发明专利CN111850815公开了“一种聚苯胺/纳米纤维素纤丝复合导电薄膜及其制备方法”，采用将苯胺单体在纳米纤维素纤丝上原位聚合的方法来制备聚苯胺/纳米纤维素纤丝复合导电薄膜，但所制得的电极基本不具有透光度；中国发明专利CN110408080公开了“氧化石墨烯、及其复合纳米纤维素导电柔性薄膜及其制法”，利用纳米纤维素分子与石墨烯分子之间的作用，使纳米纤维素均匀的包覆在石墨烯片状结构表面，形成均匀分布、表面光滑的纳米纤维素/石墨烯复合柔性薄膜，但是还原氧化石墨烯的制备过程复杂，且使导电薄膜力学性能和电导率下降；中国发明专利CN103440907公开了“一种纤维素纳米纤维与银纳米线复合导电薄膜及其制备方法”，采用真空抽滤技术在滤膜表面分别沉积纤维素纳米纤维与银纳米线制得纤维素纳米纤维与银纳米线复合薄膜电极，但这种电极的透光率有限，不能满足市场对透明导电电极高透光率的需求。