[发明专利]一种聚苯胺基导电复合水凝胶柔性电极材料及其制备方法

说明书

本发明属于导电高分子功能材料领域，具体涉及一种聚苯胺基导电复合水凝胶柔性电极材料及其制备方法，制备过程包括：以V₂O₅和H₂O₂为原料通过水热反应制备V₂O₅纳米线，然后以V₂O₅纳米线为氧化剂和模板剂原位聚合苯胺，最后引入强亲水性的PAMPS水凝胶制得导电复合水凝胶。本发明制备的导电复合水凝胶材料电化学性能优异，同时具备良好的循环稳定性，是一种潜在的柔性超级电容器电极材料。而且制备过程中充分利用了V₂O₅自身的多功能性，无需额外添加氧化剂，节约资源。

技术领域

本发明属于柔性电子材料领域，具体涉及一种聚苯胺基导电复合水凝胶柔性电极材料及其制备方法。

背景技术

随着可穿戴设备的快速发展，超级电容器等柔性储能器件备受关注。柔性电极是柔性超级电容器的关键，柔性电极材料已成为研究的重点。水凝胶是一类具有亲水基团、能够吸收大量的水但不溶于水的三维网络聚合物，性质柔软。聚苯胺（PANI）是一种典型的导电聚合物，而且相比传统的碳材料拥有更大的理论比电容。将聚苯胺与水凝胶相结合形成的导电水凝胶兼具柔性和导电性，可作为柔性电极材料。通常以过硫酸铵氧化聚合制备聚苯胺导电水凝胶，但是常规聚合方式得到的聚苯胺易团聚，且往往生长于水凝胶的表面，使聚苯胺的利用率低下，而且使导电水凝胶的循环稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种聚苯胺基导电复合水凝胶柔性电极材料及其制备方法。本发明以V₂O₅和H₂O₂为原料通过水热反应制备V₂O₅纳米线，然后以V₂O₅纳米线为氧化剂和模板剂使苯胺原位聚合，在不额外添加氧化剂的情况下，简便制备有益于增强电化学性能和稳定性的纳米核壳结构V₂O₅/PANI导电复合材料；同时以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）制备水凝胶，其中的磺酸基团是强亲水性基团，可以促使苯胺溶液更好地进入水凝胶内部，同时磺酸基团可以解离出H⁺，增加水凝胶网络内部的载流子传输通道，在保持水凝胶的柔性的同时提高水凝胶的电化学性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

（1）制备V₂O₅纳米线：将V₂O₅和双氧水加入去离子水中，冰水浴下磁力搅拌直至完全溶解，将所得溶液转移至100 mL反应釜中，180 ℃反应72h；其中溶液的总体积为60 mL，V₂O₅与H₂O₂的摩尔比为1:5-1:15；

（2）制备PAMPS凝胶：将2.07 g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）溶于10 mL去离子水中，加入0.0154 g-0.0616g N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）交联剂，0.007 g-0.027 g过硫酸钾（KPS），磁力搅拌充分溶解后，60℃水浴加热3h引发聚合形成水凝胶；其中MBA与AMPS单体的摩尔比为（0.01-0.04）：1，KPS与AMPS单体的摩尔比为（0.0005-0.01）：1；

（3）制备聚苯胺基导电复合水凝胶柔性电极材料：将步骤（1）所得的V₂O₅纳米线超声分散于40 mL的0.1 mol/L盐酸溶液中，记为A溶液，将步骤（2）所得PAMPS凝胶切成均匀小块，分散于A溶液中，将一定量的苯胺单体加至20 mL盐酸溶液中，冰水浴下磁力搅拌至完全溶解，记为B溶液，待温度冷却至0-4 ℃后，将A、B两溶液快速混合，保持反应5h得到导电复合水凝胶；其中，V₂O₅与苯胺的摩尔比为2:1-1:2。