[发明专利]一种三维层状MXene-木头海绵电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三维层状结构MXene‑木头海绵电极及其制备方法和应用，通过溶液化学处理和浸渍的方法，将刚性非导电的散装木块转化为柔性可压缩的木头海绵，浸渍MXene纳米片，制备了三维层状结构的MXene‑木头海绵。选择性地去除木头细胞壁中的木质素和半纤维素组分，然后浸渍包覆MXene纳米片，制备出各向异性的MXene‑木头海绵。包覆上MXene纳米片的MXene‑木头海绵具有优异的回弹性能和电化学性能，对其灵敏度、工作范围和线性传感范围、超级电容器的电化学性能等进行探究，实现自供电传感。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子设备以及新材料技术领域，具体涉及一种三维层状结构MXene-木头海绵电极及其制备方法和应用，尤其是一种三维层状结构的MXene-木头海绵电极及其制备方法和使用该电极组装的自供电压力传感器。

背景技术

近年来，人们对人体健康检测的日益关注推动了可穿戴、便携式和自供电智能设备的研究，特别是柔性传感器的研究。目前，许多研究者都在关注研究同时具有高灵敏度和宽线性工作范围的传感器。然而，很少有报道能同时达到这两种性能要求。因此，新材料和合理的结构是解决这一问题的关键。我们发现类似于书本的层状结构更有利于提高传感器的综合性能。而植物材料，包括木材、树叶和花朵，是丰富、可再生、价格低廉、无毒的天然生物材料。这些特性使其在制备可持续、环保的柔性传感器方面，有可能替代传统的弹性体基底材料。巴沙木作为一种重要的植物材料，具有可持续性和丰富性的特点。经化学处理后的巴沙木材具有丰富多孔结构，同时具备令人满意的高压缩回弹性能。该材料目前在油水分离、隔热绝热、传感器、透明复合材料等方面已经有很多的报道。

MXene是一种类似于石墨烯的二维层状三元碳化物/氮化物纳米导电材料，具有金属级别的优良导电性能和突出的力学性能。毫无疑问，将其制备成柔性电极，在制作压阻传感器方面也有着巨大的潜力。为了制备得到一种自供电的可压缩压力传感器，本发明选择了液处理和浸渍的方法，将刚性非导电的散装木块转化为柔性可压缩的木头海绵，浸渍MXene纳米片，制备了层状结构MXene-木头海绵，选择性地去除木头细胞壁中的木质素和半纤维素组分，然后浸渍包覆MXene纳米片，制备出各向异性的MXene-木头海绵。包覆上MXene纳米片MXene-木头海绵具有优异的回弹性能和电化学性能，探究其电极性能，将其应用于自供电压力传感器中，实现自供电传感。

发明内容

针对现有的技术上的不足或者研究内容的不完善，本发明的目的在于提供一种三维层状结构的MXene-木头海绵电极及其制备方法并应用于自供电传感器，依次通过亚氯酸钠和氢氧化钠两步法处理巴沙木材，得到具有优异回弹性的木头海绵，然后在木头海绵三维骨架上负载MXene纳米片，得到MXene-木头海绵电极。以具有三维层状结构的木头海绵电极为模板，制备了层状的MXene-木头海绵自供电传感器。该电极组装自供电传感器，在0-50% 应变下可以实现稳定的检测，并且对于不同频率的检测也很稳定，并且具有优异的透气性和可裁剪性，非常适用于可穿戴的压力传感器。

为实现上述目的，本发明一个方面提供了一种三维层状结构的MXene-木头海绵电极的制备方法，依次对天然木材按成长方向进行切割和化学处理，得到木头海绵骨架，再通过添加MXene纳米片对所制备的木质海绵进行包覆后得到。

作为本发明的进一步优选，所述的天然木材为巴沙木材。

作为本发明的进一步优选，所述的化学处理为选择性地去除细胞壁中的木质素和半纤维素组分，然后进行冷冻干燥，制备出各向异性的木头海绵。

作为本发明的进一步优选，去除木质素和半纤维组分的过程为：在混合溶液浸润后，用去离子水透析，以去除残留的化学物质，并经过处理彻底去除半纤维素。

作为本发明的进一步优选，所述的混合溶液由NaClO₂、乙酸钠和乙酸以及去离子水经过温和搅拌混合得到，NaClO₂含量为3wt%，所述的混合溶液的pH约为4.6。