[發明專利]一種超分子水凝膠及其制備和應用

有效

• 申請號: 202210466294.1
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114773508B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 石乃恩;廖蕾;黃維;史飛
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: C08F120/06
• 分類號: C08F120/06;C08F2/44;C08K5/1545;H01G11/56
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 盧霞

本發明公開了一種超分子水凝膠及其制備和應用，制備時先將超分子聚合物單體丙烯酸、多酚衍生物、FeCl₃·6H₂O以及無機鹽混合；再將引發劑溶液加入混合液中，在超聲條件下利用自由基聚合技術即可完成制備。所得超分子水凝膠具有優異的離子電導率，用于固態柔性超級電容器中作為電解質可提高器件的面積比電容，能量密度以及功率密度；此外，該水凝膠的制作成本低廉，制備和應用操作簡單、易回收，可應用于柔性可穿戴電子器件的能源裝置。

技術領域

本發明涉及儲能設備技術領域，具體涉及一種超分子水凝膠及其制備方法和其在柔性可穿戴電子設備能源裝置上的應用。

背景技術

隨著便攜式電子器件、可穿戴電子器件、微電子器件、可打印電子器件、智能紡織品、表皮電子等集成化的柔性可穿戴電子產品的逐漸普及，消費者對器件性能提出了越來越高的要求，這也促使本領域研究人員和相關制造廠商不斷深入挖掘現有材料的潛力并著力研發新的高性能材料；經研究發現，利用聚合物凝膠電解質組成的全固態超級電容器(SSCs)因具有更薄、更輕、廉價、柔性等特點，在穿戴式和便攜式電子設備的能源裝置領域具有很大的實際應用潛力。

目前，合成凝膠最常用的均聚物是聚乙烯醇、聚丙烯酸。雖然聚乙烯醇側鏈上的羥基可以吸引一定數量的水分子，但由于碳鏈較長，親水側鏈基團數量不足，與聚丙烯酸水凝膠相比，可能會削弱聚合物與水分子的相互作用，進而導致材料保水性能差，離子電導率不理想，也會影響長期穩定性，危害電子設備的使用壽命，降低產能輸出。

近年來，聚丙烯酸因其優越的保水能力受到廣泛的研究，但是聚丙烯酸水凝膠的剛性過強，所以作為電解質時與電極材料界面阻力較大，這會降低柔性超級電容器的比電容。

天然的多酚存在于木材、茶葉和漿果中，多酚結構由五個共價連接至中央葡萄糖核的二沒食子酰基組成。其中的沒食子酰基官能團提供了多個螯合位點，可以協調多種過渡金屬。在聚丙烯酸中添加多酚衍生物有效地降低了凝膠的剛性，是用于制成水凝膠的理想原料。

如中國專利CN 111363072 A公開一種基于具有等離子效應的多酚-銀納米酶的水凝膠制備方法，其利用引發劑，含雙鍵單體，特定金屬離子及含酚羥基的有機物自聚合成膠，含酚羥基的有機物可有效降低凝膠的剛性，且在進一步調控銀離子的濃度后可使得制備出的水凝膠具備優異的力學性能，該專利還重點研究了所得復合材料的催化活性，發現其可用于催化過硫酸鹽的降解；但是未針對該類水凝膠材料的光學透明性、電化學性能進行重點改進研究，對于如何獲得高比功率密度和比能量密度的凝膠材料是不清楚的，因此能否高效應用在柔性電子可穿戴器件能源裝置領域是未知的。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中存在的問題，提供一種超分子水凝膠及其制備和應用，通過調控各原料比例和實驗參數使得制備出的水凝膠具有高離子電導率，用于固態柔性超級電容器中作為電解質時可提高器件的面積比電容，比能量密度以及比功率密度。

本發明公開的技術方案為：一種超分子水凝膠的制備方法，具體包括如下步驟：

S1、將丙烯酸單體、多酚衍生物、FeCl₃·6H₂O以及無機鹽加入到去離子水中，在室溫條件下攪拌混合，得到溶液A；

多酚衍生物的結構通式如下：

其中，R₁、R₂、R₃、R₄為下列結構中的任意一種：

S2、在去離子水中加入引發劑，在室溫下攪拌混合形成溶液B；

S3、取一定量的溶液A置于容器中，放入超聲儀器中，震蕩條件下向容器中加入溶液B，在超聲儀器中通過自由基聚合技術制備超分子水凝膠；