[发明专利]一种多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维及其制备方法，通过水热法制备得到所述多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维，并提供了所述纤维的应用，包括将所述纤维进行分别多次退火得到自驱动全纤维集成全解水电子器件的正负极材料以及催化材料，通过本发明的多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维有效地解决了目前市面上常规自驱动全纤维集成全解水电子器件需要采用多种不同纤维材料的问题，提供了一种可以同时满足具有能量存储和利用的多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维材料，具有较高的推广价值与商用价值。

技术领域

本发明涉及纤维电极制备技术领域，具体而言，涉及一种多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维及其制备方法和应用。

背景技术

随着智能、小型化可穿戴和便携式电子产品的快速发展，多功能集成微型器件倍受欢迎。其中，高效集成系统的设计需要可靠稳定的电源实现可持续运行，一般来说，已报道的集成电子设备中的能量存储和利用设备大多独立运行，其中额外的外部电路不可避免地导致体积增加、重量和能量损失。此外，大多数传统的集成设备基于平面结构，刚性且体积庞大，限制了人体的可穿戴或集成到纺织品中的应用。

形成鲜明对比的是，纤维状集成器件由于轻质、高灵活性和可穿戴性受到了广泛关注，通常，可由储能设备(即超级电容器[SC]和电池)和超灵敏传感器(即气体、压力和湿度传感器)组成。更重要的是，它们可以轻松编织到纺织品中，以捕获和监测人体生理信号和活动，非常适合便携式和可穿戴应用。虽然纤维状的储能和利用装置均取得了突破性的进展，但是，如何在一个集成器件中采用多功能纤维同时实现储能和利用是一项重大挑战。

最近，研究报道了不少集成系统通过将各种功能性纤维状储能器件与能量利用相结合的单根纤维。例如，Zhao等人(Zhao J,Zhang Y,Huang Y,et al.Adv Sci.2018；5(11):1801114.)报道了一种通过将印刷纤维状温度传感器与纤维状非对称SC相结合的纤维状集成器件，其中还原的氧化石墨烯和V₂O₅/VN分别作为温度敏感和电化学活性材料，然而，这一集成纤维状器件的单元组件需要多种不同的功能材料来实现能量存储或能量利用。为了克服这一限制，Liang等人(Liang SJ,Liu B,Hu W,Zhou K,Ang LK.Adv Energy Mater.2017；7(3):1601208.)展示了一种通用的纤维状MoS₂基电极，可用于能量收集和存储应用，但它仍然涉及复杂的合成过程，因为需要额外的活性材料来匹配MoS₂才能形成多功能系统。此外，考虑到不同功能材料之间的物理和化学性质不同，将它们用于一个集成设备时会出现兼容性较差的问题。因此，非常需要设计一种多功能材料可以同时满足能量存储和利用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维的制备方法，以解决常规纤维在制备集成电子器件时，无法同时满足能量收集和存储应用的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1：将VOSO₄、NH₄VO₃和对苯二甲酸溶解在N,N-二甲基甲酰胺中进行搅拌得到混合溶液；

S2：将所述步骤S1得到的混合溶液转移至含镍泡沫的聚四氟内衬不锈钢高压釜中，并浸入碳纳米管纤维；

S3：将所述步骤S2处理后的所述高压釜转移至烘箱中反应，反应结束后冷却至室温，将产物置于真空下干燥过夜，得到多功能钒金属有机骨架基碳纳米管纤维，即V-MOFNWs@CNT纤维。

作为优选的方案，所述步骤S1中，所述VOSO₄、NH₄VO₃和对苯二甲酸的摩尔比为1:1:2；所述搅拌的温度为60℃，时间为8小时。