[發明專利]一種導電聚合物水凝膠的制備方法及其在超級電容器中的應用

在審

• 申請號: 201711177697.X
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107964106A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 鄭俊;張翼;劉靜靜
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C08J3/24
• 分類號: C08J3/24;C08J3/075;C08L5/04;C08L65/00;C08G61/12;H01G11/24;H01G11/48
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技術領域

本發明涉及導電聚合物水凝膠的制備方法，尤其涉及高分子聚合物交聯聚 (3,4-乙撐二氧噻吩)得到導電聚合物水凝膠的制備方法及應用。

背景技術

導電聚合物是通過摻雜和去摻雜過程來儲存電荷的，是一種典型的法拉第贗 電容器電極材料。因其具有價格低廉，環境友好，較高的導電率，儲存容量大等 優點，在超級電容器和電池等領域有巨大的應用潛力。但是，傳統的導電聚合物 材料作為電極通常需要加入粘結劑和導電活性物質，這大大地降低了電極材料的 比表面積、能量密度和電子傳輸能力，導致了電極材料的電導率低，循環穩定和 可加工性差，這些缺點限制了其在高性能設備上的運用。因此，研究導電性能良 好，循環穩定性和加工性能優異的新型導電聚合物材料是十分重大和有意義的工 作。

導電聚合物水凝膠是由導電聚合物通過化學或物理交聯形成的三維網絡結 構。這類材料具有獨特的力學性能、溶脹性能和三維連續的導電網絡、較大的比 表面積，可以增加電極材料的循環使用壽命和產生優良的倍率性能。將其用作超 級電容器的電極可以代替傳統電極中的粘結劑和導電劑，有利于電極材料的與電 解質溶液的充分接觸，而且連通的導電網絡為電子提供了快速的傳輸通道。可實 現電極材料的快速充放電性能。此外，導電聚合物水凝膠的可加工性強，可以通 過澆鑄、旋涂和印刷等方式負載在集流體上或制備成各種形狀的自支撐電極。這 使得導電聚合物水凝膠在柔性電子器件領域有潛在的應用前景。

聚(3,4-乙撐二氧噻吩)(PEDOT)具有良好的環境穩定性、較高的電導率 和對可見光較高的透過率，因此它在超級電容器、有機太陽能電池、生物醫藥材 料、電致變色器件等領域有廣闊的運用前景。海藻酸鈉(Sodium alginate,SA) 是來源于海藻的天然高分子材料，原料豐富易得，價格低廉。它是一種聚陰離子 電解質，可以與PEDOT聚陽離子電解質通過正負電荷相互作用形成聚電解質復 合物。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提 供一種擁有良好的機械性能和優異的導電性的導電聚合物水凝膠及其制備方法 和應用。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種導電聚合物水凝膠，該 水凝膠為三維納米結構，黑色，由海藻酸鈉和EDOT在過量的過硫酸銨的條件 下通過靜電相互作用形成。該導電水凝膠屬于中等強度的凝膠，擁有良好的機械 性能和優異的導電性。同時本發明以聚(3,4-乙撐二氧噻吩)凝膠為電極材料， 用作超級電容器性能研究。本發明是將聚(3,4-乙撐二氧噻吩)凝膠直接涂覆在 集流體上作為超級電容器的電極，不需要添加導電劑和粘合劑，這大大降低了電 極中非活性物質的量。

上述的導電聚合物水凝膠，由過硫酸銨引發聚合物導電單體3,4-乙撐二氧噻 吩在海藻酸鈉溶液中氧化原位聚合得到。

作為一個總的發明構思，本發明還提供一種上述的導電聚合物水凝膠制備方 法，包括以下幾個步驟：

(1)配制一定濃度的海藻酸鈉儲備溶液；

(2)配制一定濃度的EDOT儲備溶液；

(3)配制一定濃度的過硫酸銨儲備溶液；

(4)將一定量的各組分儲備溶液在冰浴(0～4℃)中攪拌均勻，然后置于 4℃下反應。

上述的制備方法步驟(1)中，所述的海藻酸鈉儲備液的溶劑為蒸餾水，在 攪拌器上攪拌溶解，攪拌時間為1～3h,海藻酸鈉儲備液的濃度為20～40mg/mL。

上述的制備方法步驟(2)中，所述的EDOT儲備溶液的溶劑為乙醇，儲備液 中EDOT的濃度為1～4M。

上述的制備方法步驟(3)中,所述的過硫酸銨儲備液的溶劑為蒸餾水，過硫酸 銨儲備液的濃度為1～4M。

上述的制備方法步驟(4)中,取0.5～1.0mL的海藻酸鈉儲備液加入至干凈的 5.0mL的螺口瓶中，置于冰浴(0～4℃)中，然后向海藻酸鈉溶液中滴加入0.5～ 1mL的EDOT儲備液，邊加邊攪拌，攪拌均勻，在加入0.5～2.0mL的過硫酸 銨溶液，攪拌均勻后放置于4℃的環境中反應24～48h。

本發明的導電聚合物水凝膠是通過正負電荷相互作用形成的，海藻酸鈉屬于 聚陰離子，導電聚合物單體EDOT在過量的氧化劑過硫酸銨的條件下氧化成 PEDOT聚陽離子，聚陰離子和聚陽離子相互作用得到聚合物水凝膠，該導電水 凝膠兼具水凝膠和導電聚合物的特性。