[发明专利]一种导电聚合物水凝胶的制备方法及其在超级电容器中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及导电聚合物水凝胶的制备方法，尤其涉及高分子聚合物交联聚 (3,4-乙撑二氧噻吩)得到导电聚合物水凝胶的制备方法及应用。

背景技术

导电聚合物是通过掺杂和去掺杂过程来储存电荷的，是一种典型的法拉第赝 电容器电极材料。因其具有价格低廉，环境友好，较高的导电率，储存容量大等 优点，在超级电容器和电池等领域有巨大的应用潜力。但是，传统的导电聚合物 材料作为电极通常需要加入粘结剂和导电活性物质，这大大地降低了电极材料的 比表面积、能量密度和电子传输能力，导致了电极材料的电导率低，循环稳定和 可加工性差，这些缺点限制了其在高性能设备上的运用。因此，研究导电性能良 好，循环稳定性和加工性能优异的新型导电聚合物材料是十分重大和有意义的工 作。

导电聚合物水凝胶是由导电聚合物通过化学或物理交联形成的三维网络结 构。这类材料具有独特的力学性能、溶胀性能和三维连续的导电网络、较大的比 表面积，可以增加电极材料的循环使用寿命和产生优良的倍率性能。将其用作超 级电容器的电极可以代替传统电极中的粘结剂和导电剂，有利于电极材料的与电 解质溶液的充分接触，而且连通的导电网络为电子提供了快速的传输通道。可实 现电极材料的快速充放电性能。此外，导电聚合物水凝胶的可加工性强，可以通 过浇铸、旋涂和印刷等方式负载在集流体上或制备成各种形状的自支撑电极。这 使得导电聚合物水凝胶在柔性电子器件领域有潜在的应用前景。

聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)具有良好的环境稳定性、较高的电导率 和对可见光较高的透过率，因此它在超级电容器、有机太阳能电池、生物医药材 料、电致变色器件等领域有广阔的运用前景。海藻酸钠(Sodium alginate,SA) 是来源于海藻的天然高分子材料，原料丰富易得，价格低廉。它是一种聚阴离子 电解质，可以与PEDOT聚阳离子电解质通过正负电荷相互作用形成聚电解质复 合物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提 供一种拥有良好的机械性能和优异的导电性的导电聚合物水凝胶及其制备方法 和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种导电聚合物水凝胶，该 水凝胶为三维纳米结构，黑色，由海藻酸钠和EDOT在过量的过硫酸铵的条件 下通过静电相互作用形成。该导电水凝胶属于中等强度的凝胶，拥有良好的机械 性能和优异的导电性。同时本发明以聚(3,4-乙撑二氧噻吩)凝胶为电极材料， 用作超级电容器性能研究。本发明是将聚(3,4-乙撑二氧噻吩)凝胶直接涂覆在 集流体上作为超级电容器的电极，不需要添加导电剂和粘合剂，这大大降低了电 极中非活性物质的量。

上述的导电聚合物水凝胶，由过硫酸铵引发聚合物导电单体3,4-乙撑二氧噻 吩在海藻酸钠溶液中氧化原位聚合得到。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的导电聚合物水凝胶制备方 法，包括以下几个步骤：

(1)配制一定浓度的海藻酸钠储备溶液；

(2)配制一定浓度的EDOT储备溶液；

(3)配制一定浓度的过硫酸铵储备溶液；

(4)将一定量的各组分储备溶液在冰浴(0～4℃)中搅拌均匀，然后置于 4℃下反应。

上述的制备方法步骤(1)中，所述的海藻酸钠储备液的溶剂为蒸馏水，在 搅拌器上搅拌溶解，搅拌时间为1～3h,海藻酸钠储备液的浓度为20～40mg/mL。

上述的制备方法步骤(2)中，所述的EDOT储备溶液的溶剂为乙醇，储备液 中EDOT的浓度为1～4M。

上述的制备方法步骤(3)中,所述的过硫酸铵储备液的溶剂为蒸馏水，过硫酸 铵储备液的浓度为1～4M。

上述的制备方法步骤(4)中,取0.5～1.0mL的海藻酸钠储备液加入至干净的 5.0mL的螺口瓶中，置于冰浴(0～4℃)中，然后向海藻酸钠溶液中滴加入0.5～ 1mL的EDOT储备液，边加边搅拌，搅拌均匀，在加入0.5～2.0mL的过硫酸 铵溶液，搅拌均匀后放置于4℃的环境中反应24～48h。

本发明的导电聚合物水凝胶是通过正负电荷相互作用形成的，海藻酸钠属于 聚阴离子，导电聚合物单体EDOT在过量的氧化剂过硫酸铵的条件下氧化成 PEDOT聚阳离子，聚阴离子和聚阳离子相互作用得到聚合物水凝胶，该导电水 凝胶兼具水凝胶和导电聚合物的特性。