多孔碳氮二維納米片和制備ipmc電化學(xué)驅(qū)動器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型人工肌肉驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。具體地講，涉及一種多孔碳氮二維納米片和利用該多孔碳氮二維納米片制備IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電活性聚合物(Electroactive Polymer, ΕΑΡ)是一類能夠在電場或電流刺激下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生形變的聚合物材料，由于其具有輕質(zhì)、柔性以及可獲得大的致動形變等特性，因此在智能機器人、微機電系統(tǒng)、人體植入式功能器件和工業(yè)電機械轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等方面得到了廣泛的關(guān)注。在過去的幾十年中，由于導(dǎo)電聚合物、聚合物凝膠和離子聚合物金屬復(fù)合材料(1nic Polymer Metal Composites, IPMC)的離子型EAP能夠在較低的電壓下表現(xiàn)出大的形變以及在空氣中表現(xiàn)出的穩(wěn)定性而被人們廣泛研宄。另外，IPMC在同等條件下，表現(xiàn)出的彎曲形變、響應(yīng)速率和在空氣中的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚合物凝膠和導(dǎo)電聚合物，因此在人工肌肉領(lǐng)域被廣泛研宄。
[0003]通常，IPMC驅(qū)動器由兩電極層以及夾在兩電極層之間的離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)層組成，其依靠雙電層界面儲存電能并通過離子反復(fù)嵌入迀出電極，從而將電能轉(zhuǎn)換成機械能。然而，在傳統(tǒng)的IPMC驅(qū)動器中，通常以貴金屬作為電極層，以全氟磺酸作為電解質(zhì)層。但是貴金屬價格高昂且金屬電極與聚合物之間結(jié)合力較差，并且驅(qū)動器在致動過程中需要水的參與，而水相易蒸發(fā)和電解，從而導(dǎo)致器件的穩(wěn)定性下降。因此，如何發(fā)展廉價、輕質(zhì)、導(dǎo)電性良好的可替代電極材料和構(gòu)筑能在空氣中穩(wěn)定存在的IPMC驅(qū)動器是人工肌肉領(lǐng)域面臨的一個重大的挑戰(zhàn)。
[0004]近來，碳管、石墨烯等材料因其具有大的比表面積、優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)等性能而成為科研領(lǐng)域的研宄熱點。尤其在IPMC電化學(xué)驅(qū)動器領(lǐng)域中，隨著碳納米管、石墨烯材料引入到電極，使得驅(qū)動器的電機械響應(yīng)特性得到了質(zhì)的提高。例如，Asaka等人利用毫米長單壁碳納米管高的導(dǎo)電性(169S/cm)和強的力學(xué)性能(楊氏模量為156±59MPa)制備的驅(qū)動器表現(xiàn)出高的應(yīng)變和應(yīng)力速度輸出(2.28% /s，3.26MPa/s)，并且該驅(qū)動器經(jīng)過一萬次致動循環(huán)后，驅(qū)動性能沒有顯著地衰減。另外，陳偉等人利用多孔二維石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，有利于離子從電極中嵌入迀出，從而制備出高性能的驅(qū)動器。但是，低維納米碳材料的電化學(xué)活性較低，還無法進一步制造出高性能的IPMC器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種多孔碳氮二維納米片和制備以多孔碳氮二維納米片作為電極的IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的方法，該方法的成本低廉、工藝簡單、易于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種制備多孔碳氮二維納米片的方法，所述方法包括如下步驟:將碳氮前驅(qū)體和葡萄糖研磨均勻得到混合物，并且將混合物加熱到450°C?600°C,以得到石墨相碳氮和二維納米碳片的復(fù)合物；在氣體保護下將所述復(fù)合物加熱至700 °C?1000 °C，以得到多孔碳氮二維納米片。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述碳氮前驅(qū)體可以包括選自于由尿素、二聚氰胺、三聚氰胺以及它們各自與低維納米碳的混合物組成的組中的至少一種。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述碳氮前驅(qū)體與葡萄糖的質(zhì)量比為100:1?1:1。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，將混合物加熱到450°C?600°C的步驟可以包括:以10C /min?10°C /min的升溫速率將所述混合物加熱至450°C?600°C并保溫0.5h?5h。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，將所述復(fù)合物加熱至700°C?1000°C的步驟可以包括:以5°C /min?20°C /min的升溫速率將所述復(fù)合物加熱至700°C?1000°C并保溫Ih?50ho
[0011]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述氣體為惰性氣體或氮氣，氣體流量為10sccm ?300sccmo
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種使用如上所述的方法制備的多孔碳氮二維納米片，所述多孔碳氮二維納米片具有由碳元素和氮元素組成的芳香雜環(huán)平面結(jié)構(gòu)，并且呈二維層狀結(jié)構(gòu)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，氮在碳氮二維納米片中的質(zhì)量百分比可以為
3.02%?30%。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述多孔碳氮二維納米片的孔徑范圍可以為0.5nm?lOOnm，導(dǎo)電率范圍可以為0.1Sm 1?1000Sm、
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種利用如上所述的多孔碳氮二維納米片制備IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的方法，所述方法包括如下步驟:將多孔碳氮二維納米片、聚偏氟乙烯和第一離子液體溶于有機溶劑中，并超聲處理以形成分散液，之后將分散液置于襯底上并在預(yù)定溫度下使溶劑蒸發(fā)，從而形成多孔碳氮二維納米片膜；將支撐離子液體高聚物或聚(環(huán)氧乙烷)-丁腈橡膠互穿結(jié)構(gòu)置于第二離子液體中以熱溶脹離子液體，從而形成高聚物支撐離子液體的電解質(zhì)層；將電解質(zhì)層置于作為電極的兩片多孔碳氮二維納米片膜中，并且通過熱壓形成IPMC電化學(xué)驅(qū)動器。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述第一離子液體可以包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽或1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亞胺鹽。
[0017]所述第二離子液體可以包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亞胺鹽、季銨鹽離子、季鱗鹽離子、咪唑鹽離子、鹵素離子、四氟硼酸根離子或六氟磷酸根離子，并且第二離子液體在電解質(zhì)層中的質(zhì)量百分比范圍可以為5%?80%。
[0018]所述聚(環(huán)氧乙烷)_丁腈橡膠互穿結(jié)構(gòu)通過下述方法制備得到:將丁腈橡膠溶解到三氯甲烷中，之后加入聚(乙二醇)甲基丙烯酸甲酯甲基醚和聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯，并且在常溫下攪拌均勻；向混合液中加入二環(huán)己基過氧化酯和二異丙苯基過氧化物，并且攪拌均勻；將上述混合物澆鑄到由玻璃片制成的模具中，密封并加熱到50°C保溫3h后，再升溫到80°C，固化Ih后，冷卻30分鐘；將樣品在160°C熱壓40分鐘從而得到聚(環(huán)氧乙烷)_ 丁腈橡膠互穿結(jié)構(gòu)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述支撐離子液體高聚物可以包括聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)、殼聚糖、全氟磺酸或熱塑性聚氨酯。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述襯底可以包括玻璃襯底、硅襯底或聚四氟乙烯襯底。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，在通過熱壓形成IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的過程中，熱壓溫度可以為40°C?200 V，熱壓形式可以為一步熱壓或逐步熱壓。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的制備IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的方法，得到的驅(qū)動器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲能和電機械響應(yīng)性能，例如大的比電容、快的響應(yīng)速率、大的形變大和高穩(wěn)定性好，因此在諸如昆蟲翅膀、盲文顯示、醫(yī)療導(dǎo)管仿生等智能材料領(lǐng)域中具有很大的潛在應(yīng)用。此夕卜，該方法工藝簡單，無需復(fù)雜設(shè)備，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0023]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制備IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的工藝流程圖；
[0024]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的多孔碳氮二維納米片的透射電鏡圖；
[0025]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的多孔碳氮二維納米片的掃描電鏡圖；
[0026]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的多孔碳氮二維納米片的孔徑分布圖；
[0027]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的多孔碳氮二維納米片的X射線衍射圖；
[0028]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的在掃速為10mV/s下的循環(huán)伏安曲線圖；
[0029]圖7示出了在電壓為±3V、頻率為0.1-30HZ時，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的最大致動位移隨頻率的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0030]下面將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實施例。
[0031]以下將結(jié)合附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施例，然而，附圖只是示意性地示出了本發(fā)明的具體示例，且不具有限制作用。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的保護范圍的情況下，可以對其進行各種修改和變形。
[0032]原位氮摻雜低維納米碳結(jié)構(gòu)，在既保證碳材料具有高導(dǎo)電性的同時，也賦予了其電化學(xué)活性，并且氮摻雜可以改變碳電極表面結(jié)構(gòu)，增大其與離子的相互作用，可大幅度提高驅(qū)動器的能量儲存和機械轉(zhuǎn)換性能。因此，理論而言，氮摻雜低維納米碳電極，可進一步提高IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的電化學(xué)儲能和電機械響應(yīng)特性?；诖?，本發(fā)明提供了一種多孔碳氮二維納米片和利用該多孔碳氮二維納米片制備IPMC電化學(xué)驅(qū)動器的方法。
[0033]根據(jù)本發(fā)明提供的制備多孔碳氮二維納米片的方法包括依次執(zhí)行的下述步驟(a)和(b) ο
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