多孔碳氮二维纳米片和制备ipmc电化学驱动器的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型人工肌肉驱动技术领域。具体地讲，涉及一种多孔碳氮二维纳米片和利用该多孔碳氮二维纳米片制备IPMC电化学驱动器的方法。
【背景技术】
[0002]电活性聚合物(Electroactive Polymer, ΕΑΡ)是一类能够在电场或电流刺激下，通过材料内部结构改变而产生形变的聚合物材料，由于其具有轻质、柔性以及可获得大的致动形变等特性，因此在智能机器人、微机电系统、人体植入式功能器件和工业电机械转换系统等方面得到了广泛的关注。在过去的几十年中，由于导电聚合物、聚合物凝胶和离子聚合物金属复合材料(1nic Polymer Metal Composites, IPMC)的离子型EAP能够在较低的电压下表现出大的形变以及在空气中表现出的稳定性而被人们广泛研宄。另外，IPMC在同等条件下，表现出的弯曲形变、响应速率和在空气中的稳定性远远优于聚合物凝胶和导电聚合物，因此在人工肌肉领域被广泛研宄。
[0003]通常，IPMC驱动器由两电极层以及夹在两电极层之间的离子导电聚合物电解质层组成，其依靠双电层界面储存电能并通过离子反复嵌入迀出电极，从而将电能转换成机械能。然而，在传统的IPMC驱动器中，通常以贵金属作为电极层，以全氟磺酸作为电解质层。但是贵金属价格高昂且金属电极与聚合物之间结合力较差，并且驱动器在致动过程中需要水的参与，而水相易蒸发和电解，从而导致器件的稳定性下降。因此，如何发展廉价、轻质、导电性良好的可替代电极材料和构筑能在空气中稳定存在的IPMC驱动器是人工肌肉领域面临的一个重大的挑战。
[0004]近来，碳管、石墨烯等材料因其具有大的比表面积、优异的电学、力学、热学、电化学等性能而成为科研领域的研宄热点。尤其在IPMC电化学驱动器领域中，随着碳纳米管、石墨烯材料引入到电极，使得驱动器的电机械响应特性得到了质的提高。例如，Asaka等人利用毫米长单壁碳纳米管高的导电性(169S/cm)和强的力学性能(杨氏模量为156±59MPa)制备的驱动器表现出高的应变和应力速度输出(2.28% /s，3.26MPa/s)，并且该驱动器经过一万次致动循环后，驱动性能没有显著地衰减。另外，陈伟等人利用多孔二维石墨烯的层状结构，有利于离子从电极中嵌入迀出，从而制备出高性能的驱动器。但是，低维纳米碳材料的电化学活性较低，还无法进一步制造出高性能的IPMC器件。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种多孔碳氮二维纳米片和制备以多孔碳氮二维纳米片作为电极的IPMC电化学驱动器的方法，该方法的成本低廉、工艺简单、易于大规模生产。
[0006]根据本发明的一方面，提供一种制备多孔碳氮二维纳米片的方法，所述方法包括如下步骤:将碳氮前驱体和葡萄糖研磨均匀得到混合物，并且将混合物加热到450°C?600°C,以得到石墨相碳氮和二维纳米碳片的复合物；在气体保护下将所述复合物加热至700 °C?1000 °C，以得到多孔碳氮二维纳米片。
[0007]根据本发明的示例性实施例，所述碳氮前驱体可以包括选自于由尿素、二聚氰胺、三聚氰胺以及它们各自与低维纳米碳的混合物组成的组中的至少一种。
[0008]根据本发明的示例性实施例，所述碳氮前驱体与葡萄糖的质量比为100:1?1:1。
[0009]根据本发明的示例性实施例，将混合物加热到450°C?600°C的步骤可以包括:以10C /min?10°C /min的升温速率将所述混合物加热至450°C?600°C并保温0.5h?5h。
[0010]根据本发明的示例性实施例，将所述复合物加热至700°C?1000°C的步骤可以包括:以5°C /min?20°C /min的升温速率将所述复合物加热至700°C?1000°C并保温Ih?50ho
[0011]根据本发明的示例性实施例，所述气体为惰性气体或氮气，气体流量为10sccm ?300sccmo
[0012]根据本发明的另一方面，提供一种使用如上所述的方法制备的多孔碳氮二维纳米片，所述多孔碳氮二维纳米片具有由碳元素和氮元素组成的芳香杂环平面结构，并且呈二维层状结构。
[0013]根据本发明的示例性实施例，氮在碳氮二维纳米片中的质量百分比可以为
3.02%?30%。
[0014]根据本发明的示例性实施例，所述多孔碳氮二维纳米片的孔径范围可以为0.5nm?lOOnm，导电率范围可以为0.1Sm 1?1000Sm、
[0015]根据本发明的另一方面，提供一种利用如上所述的多孔碳氮二维纳米片制备IPMC电化学驱动器的方法，所述方法包括如下步骤:将多孔碳氮二维纳米片、聚偏氟乙烯和第一离子液体溶于有机溶剂中，并超声处理以形成分散液，之后将分散液置于衬底上并在预定温度下使溶剂蒸发，从而形成多孔碳氮二维纳米片膜；将支撑离子液体高聚物或聚(环氧乙烷)-丁腈橡胶互穿结构置于第二离子液体中以热溶胀离子液体，从而形成高聚物支撑离子液体的电解质层；将电解质层置于作为电极的两片多孔碳氮二维纳米片膜中，并且通过热压形成IPMC电化学驱动器。
[0016]根据本发明的示例性实施例，所述第一离子液体可以包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亚胺盐。
[0017]所述第二离子液体可以包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亚胺盐、季铵盐离子、季鱗盐离子、咪唑盐离子、卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子，并且第二离子液体在电解质层中的质量百分比范围可以为5%?80%。
[0018]所述聚(环氧乙烷)_丁腈橡胶互穿结构通过下述方法制备得到:将丁腈橡胶溶解到三氯甲烷中，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，并且在常温下搅拌均匀；向混合液中加入二环己基过氧化酯和二异丙苯基过氧化物，并且搅拌均匀；将上述混合物浇铸到由玻璃片制成的模具中，密封并加热到50°C保温3h后，再升温到80°C，固化Ih后，冷却30分钟；将样品在160°C热压40分钟从而得到聚(环氧乙烷)_ 丁腈橡胶互穿结构。
[0019]根据本发明的示例性实施例，所述支撑离子液体高聚物可以包括聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)、壳聚糖、全氟磺酸或热塑性聚氨酯。
[0020]根据本发明的示例性实施例，所述衬底可以包括玻璃衬底、硅衬底或聚四氟乙烯衬底。
[0021]根据本发明的示例性实施例，在通过热压形成IPMC电化学驱动器的过程中，热压温度可以为40°C?200 V，热压形式可以为一步热压或逐步热压。
[0022]根据本发明的制备IPMC电化学驱动器的方法，得到的驱动器表现出优异的电化学储能和电机械响应性能，例如大的比电容、快的响应速率、大的形变大和高稳定性好，因此在诸如昆虫翅膀、盲文显示、医疗导管仿生等智能材料领域中具有很大的潜在应用。此夕卜，该方法工艺简单，无需复杂设备，易于工业化生产。
【附图说明】
[0023]图1示出了根据本发明的示例性实施例的制备IPMC电化学驱动器的工艺流程图；
[0024]图2示出了根据本发明的示例性实施例的多孔碳氮二维纳米片的透射电镜图；
[0025]图3示出了根据本发明的示例性实施例的多孔碳氮二维纳米片的扫描电镜图；
[0026]图4示出了根据本发明的示例性实施例的多孔碳氮二维纳米片的孔径分布图；
[0027]图5示出了根据本发明的示例性实施例的多孔碳氮二维纳米片的X射线衍射图；
[0028]图6示出了根据本发明的示例性实施例的IPMC电化学驱动器的在扫速为10mV/s下的循环伏安曲线图；
[0029]图7示出了在电压为±3V、频率为0.1-30HZ时，根据本发明的示例性实施例的IPMC电化学驱动器的最大致动位移随频率的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0030]下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。
[0031]以下将结合附图来详细描述本发明的示例性实施例，然而，附图只是示意性地示出了本发明的具体示例，且不具有限制作用。然而，本领域技术人员应理解的是，在不脱离本发明的权利要求所限定的保护范围的情况下，可以对其进行各种修改和变形。
[0032]原位氮掺杂低维纳米碳结构，在既保证碳材料具有高导电性的同时，也赋予了其电化学活性，并且氮掺杂可以改变碳电极表面结构，增大其与离子的相互作用，可大幅度提高驱动器的能量储存和机械转换性能。因此，理论而言，氮掺杂低维纳米碳电极，可进一步提高IPMC电化学驱动器的电化学储能和电机械响应特性。基于此，本发明提供了一种多孔碳氮二维纳米片和利用该多孔碳氮二维纳米片制备IPMC电化学驱动器的方法。
[0033]根据本发明提供的制备多孔碳氮二维纳米片的方法包括依次执行的下述步骤(a)和(b) ο
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