一种壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于柔性储能材料与器件领域，具体涉及一种壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质及其制备方法与柔性超级电容器应用。

背景技术

随着可穿戴电子设备和柔性电子产业的迅速发展，对柔性储能器件的需求日益增长。具有高功率密度、高速充放电、优异循环寿命和机械柔性等诸多优点的柔性超级电容器被认为是理想的柔性储能设备。如何有效地协同器件的柔性与电化学性能是柔性超级电容器研究的关键问题。使用液态电解质的传统超级电容器虽然离子传导率较高，但稳定性较差，在充放电过程中易腐蚀电极，并且在实际使用中柔性变形时易发生电解质的泄漏，难以满足柔性电子的使用要求。聚合物水凝胶电解质拥有良好的柔韧性和稳定性，其多孔结构能够促进电解质离子的进入，而且水介质的存在也为离子的运输提供了便利，可望满足柔性器件的要求。柔性超级电容器在使用过程中不可避免地承受各种机械变形和破坏，这就要求其中的水凝胶电解质具有较强的自愈能力。然而传统的聚合物水凝胶材料存在机械性能较差、离子电导率偏低、自愈合性弱和使用过程中易失水等缺陷，极大地限制了水凝胶电解质在柔性电子领域的应用。因此，开发具有高导电率、良好机械强度、柔性和自愈合性能的聚合物水凝胶电解质至关重要。将功能化的导电纳米材料引入水凝胶网络中构建有机-无机杂化水凝胶电解质，利用导电纳米材料优异的电学性能和填料增强效应可望有效地改善水凝胶电解质的导电性和机械强度，实现电化学性能和柔性的兼顾。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，获得到具有高导电率、良好机械强度、柔性和自愈合性能的聚合物水凝胶电解质，本发明采用物理交联和化学交联相结合的方法，提供了一种具有高电导率、力学性能和自愈合能力的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质及其制备方法与应用。将Zn

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：

(1)将壳聚糖溶解在醋酸溶液中，加入单层Ti

(2)依次向第一混合溶液中溶入锌盐、交联剂和引发剂，得到第二混合溶液；

(3)将第二混合溶液注入模具中，在设定聚合温度下聚合预定的时间得到壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质。

进一步，步骤(1)中溶解在醋酸溶液中的壳聚糖的质量百分数为1～3wt％；所述的单层Ti

进一步，步骤(2)中所述的锌盐为六水合硝酸锌、三氟甲磺酸锌中的一种，壳聚糖与锌盐的质量比为1∶(10～20)；所述的交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-双丙烯酰胱胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种；所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种；所述的丙烯酰胺与交联剂、引发剂的摩尔比为1∶(0.001～0.005)∶(0.005～0.03)。

进一步，步骤(3)所述的设定聚合温度为40～70℃，所述的聚合预定时间为2～12h。

同时本发明提供了一种由步骤(1)至(3)制备的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质，其为三维网络结构。该杂化水凝胶电解质是由壳聚糖、聚丙烯酰胺、单层Ti

同时本发明提供了制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质在柔性超级电容器中的应用。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质及其制备方法与应用。采用物理交联和化学交联相结合的方法，Zn

附图说明

图1为本发明提供的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质的制备流程图。

图2为本发明实施例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质的应力应变曲线。

图3为本发明对比例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺水凝胶电解质的应力应变曲线。

图4为本发明实施例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质的自愈合应力应变曲线。

图5为本发明实施例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质切断-接触过程中LED亮度变化照片。

图6为本发明实施例3提供的柔性超级电容器的Nyquist图。

图7是实施例3提供的柔性超级电容器在不同扫描扫速下的循环伏安曲线。

图8是实施例3的柔性超级电容器在不同电流密度下的充放电曲线。

图9是实施例3提供的柔性超级电容器在不同弯曲角度下的循环伏安曲线。

图10是实施例3提供的柔性超级电容器在不同弯曲角度下的充放电曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案和效果更加明晰，下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质的制备方法，参考图1；包括以下步骤：

(1)将壳聚糖溶解在醋酸溶液中，加入单层Ti3C2 MXene水分散液和丙烯酰胺单体，搅拌均匀后得到第一混合溶液；

(2)依次向第一混合溶液中溶入锌盐、交联剂和引发剂，得到第二混合溶液；

(3)将第二混合溶液注入模具中，在设定聚合温度下聚合预定的时间得到壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质。

步骤(1)中溶解于醋酸溶液中的壳聚糖的质量百分数为1～3wt％；所述的单层Ti

步骤(2)中所述的锌盐为六水合硝酸锌、三氟甲磺酸锌中的一种(下述实施例选取六水合硝酸锌)，壳聚糖与锌盐的质量比为1∶(10～20)；所述的交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-双丙烯酰胱胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种(下述实施例选取N，N’-亚甲基双丙烯酰胺)；所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种(下述实施例选取过硫酸钾)；所述的丙烯酰胺与交联剂、引发剂的摩尔比为1∶(0.001～0.005)∶(0.005～0.03)。

步骤(3)所述的设定聚合温度为40～70℃，所述的聚合预定时间为2～12h。

本发明还公开了所得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质在柔性超级电容器中的应用。

实施例1

将0.15g壳聚糖溶解在总体积为10mL体积百分数为2％的醋酸溶液中(其中包含0.5mL浓度为20mg/mL的单层Ti

对比例1

步骤与实施例1相同，区别仅在于：未添加单层Ti

由图2和图3可以看出，实施例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质相比较对比例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺水凝胶电解质，具有更好的力学性能。

实施例2

壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶电解质的自愈合性能测试：取实施例1制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶样品切成两段后重新接触，静置一段时间，取出后观察接触位置痕迹。采用电子万能试验机对自愈合前后杂化水凝胶样品的应力-应变行为进行测试，如图4所示，杂化水凝胶愈合后的拉伸强度可达到其初始强度的55.4％，断裂伸长率与初始伸长率之比可达46.8％，表明其具有良好的自愈合性能。在连有杂化水凝胶电解质的电路中，观察切断-接触过程LED灯泡亮度的变化，测试杂化水凝胶电解质的电修复效率，如图5，可以看出，切断前后灯泡的亮度几乎不变。图4和5说明受损的杂化水凝胶电解质能够较好的愈合，其中的动态非共价交联赋予了杂化水凝胶良好的自愈合能力，能够将断开的杂化水凝胶重新连接。

实施例3

取3mL苯胺溶解在1moL/L的盐酸中，裁剪尺寸为1×2cm

实施例4

将实施例3制备的柔性超级电容器弯曲不同角度测定其电化学性能，结果如图9、10所示。从图9和10可以看出，在不同弯曲角度下，制备的超级电容器的电容行为未有明显改变，这表明本发明制得的壳聚糖/聚丙烯酰胺/MXene杂化水凝胶非常适合作为柔性超级电容器的电解质。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。