[发明专利]一种电活性生物质/聚吡咯水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及储能材料，特别涉及一种电活性生物质/聚吡咯水凝胶及其制备方法和应用。本发明电活性生物质/聚吡咯水凝胶，由吡咯在电活性生物质盐存在的条件下发生氧化聚合所得。再采用将功能化多孔导电碳纳米球引入木质素/聚吡咯水凝胶框架的方式获得增强复合水凝胶。利用电活性生物质与聚吡咯交联形成3D导电水凝胶降低了聚吡咯的团聚，提高了电化学和可加工性能。功能化碳纳米球充当刚性导电填料嵌入木质素/聚吡咯框架提升水凝胶的力学强度，并均匀化网络结构，提高电导率，制备的水凝胶作为电极与纤维素水凝胶隔膜分别组装成的对称超级电容器展现出优异的面积电容、超高的能量密度、高机械柔性和循环稳定性。

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种电活性生物质/聚吡咯水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

柔性超级电容器(FSCs)具有高功率密度、超长的循环寿命和优异柔性的优势，是电子皮肤、显示器、传感器、智能设备、通信和健康监测仪等储能系统的理想选择。先进的FSCs通常具有厚度薄、柔性好、储能能力强、力学性能优异等特点以适用于不同的应用系统。在现有的技术中，采用碳材料、金属氧化物、导电聚合物等构成的各种纤维状、薄膜状、三维(3D)柔性电极已经被开拓，其中导电聚合物由于其制备简单、良好的本征导电性和高赝容电荷存储能力一直受到人们的关注，是储能领域研究的热门材料。聚吡咯(PPy)作为一种典型的导电高分子材料，具有导电性好、成本低、环境稳定等优点，是一种性能突出的电极材料，但作为电极材料，聚吡咯倍率性能、循环稳定性较差以及团聚体颗粒的不溶性导致差的加工性限制了其应用。为了克服这些缺点，人们尝试构建三维多孔PPy水凝胶，该水凝胶能够提供固有的连续导电框架，促进电荷和离子的转移，从而有效地改善电化学性能和加工性能。利用过硫酸铵作为氧化剂，以小分子(比如植酸、十二烷基磺酸钠、2,2′:6′,2″-三联吡啶等)掺杂和/或凝胶剂，通过直接氧化聚合吡咯的方式制备的聚吡咯水凝胶表现出质量比电容高达400F/g(Y.Shi,M.Wang,C.Ma,Y.Wang,X.Li,G.Yu,NanoLett.2015,15,6276-6281)，良好的倍率性能和循环稳定性。但是，这些聚吡咯水凝胶的力学强度比较低，并没有应用于制作自支撑电极。为了获得高机械强度的水凝胶，采用原位聚合的方法在三维聚合物水凝胶支撑骨架(如琼脂糖、海藻酸钠/聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等)中制备了PPy复合水凝胶。PPy复合水凝胶的抗压强度高达48kPa，但比电容和倍率相对较低(在扫描速率为5mV/s时的展现出的最大比电容为354.3F/g，在100mV/s时的比电容只有50F/g)(B.Yin,S.Zhang,Q.Ren,C.Liu,K.Ke,Z.Wang,J.Mater.Chem.A 2017,5,24942-24950)。为了获得高的机械强度和电化学性能PPy复合水凝胶，通过原位电化学聚合或氧化聚合的方法制备了3D多孔还原石墨烯/聚吡咯(rGO/PPy)复合水凝胶(Y.Zhao,J.Liu,Y.Hu,H.Cheng,C.Hu,C.Jiang,L.Jiang,A.Cao,L.Qu,Adv.Mater.2013,25,591-595.；X.Wu,M.Lian,J.PowerSources 2017,362,184-191)。由于rGO水凝胶骨架具有良好的导电性和三维多孔结构，这些复合水凝胶具有很高的比电容(在1A/g时可达526F/g)、循环稳定性(12000次循环后保持98.6％的初始比电容)和良好的抗压强度(在压缩应变为50％时，压缩应力高达88kPa)。然而，以一种简便的方法制备同时具有高机械强度和电化学性能的PPy复合水凝胶仍然是一个非常渴望和具有挑战性的课题。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种电活性生物质/聚吡咯水凝胶及其制备方法和应用，本发明利用电活性生物质与聚吡咯交联形成3D导电水凝胶降低了聚吡咯的团聚，提高了电化学和可加工性能。功能化碳纳米球充当刚性导电填料嵌入木质素/聚吡咯框架提升水凝胶的力学强度，并均匀化网络结构，提高电极的电导率，制备的水凝胶作为电极与纤维素水凝胶隔膜分别组装成的对称超级电容器展现出优异的面积电容、超高的能量密度、高机械柔性和循环稳定性。