Ipmc电化学驱动器制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料科学领域，特别是新型人工肌肉驱动技术领域。具体地说涉及一种离子聚合物金属复合材料(1nic polymer metal composite, I PMC)电化学驱动的制备方法。
【背景技术】
[0002]离子聚合物金属复合材料(1nic polymer metal composite, IPMC是一种人工肌肉材料，由于其较低的驱动电压能产生较大的位移变形，作为一种新型执行器非常适用于仿生机器人的开发)，一般由阳离子交换膜和贵金属通过化学镀的方法复合而成，在电场的作用下，由于阴离子被聚合物束缚住，不能迁移，水合阳离子迁移导致物质重新分配从而造成材料宏观收缩膨胀形变。早期，Shahinpoor等人利用导电性较为优越的贵金属(如钼、金、钯等)作为驱动电极，构筑了具有低压、大位移响应等高性能驱动器件。但是贵金属价格高昂，原料稀有并且金属电极与聚合物之间物理接触牢固程度差，易脱落，稳定性低；且驱动器在致动过程中需要水的参与，而水相在大于1.23V的电压时，将会持续电解，导致整个器件稳定性下降。因此，如何发展廉价、轻质、资源丰富、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。
[0003]近来，碳管、石墨烯以其独具的大比表面积、优异的电学、力学、热学、电化学等优越性能，推动了科研领域的各项工程技术的发展，碳管、石墨烯成为代替传统贵金属电极的最佳材料；高聚物支持的离子液体电解质层，在稳定性和电化学窗口方面较离子交换膜更为有优势，这样两者相结合构筑的新型石墨烯/碳管电化学驱动器，不仅克服了金属电极应力阻力大，电极与电解质层界面耦合程度低，驱动器在空气中易失水变形松弛不稳定等问题还大大地拓宽了 IPMC电化学驱动器的应用范围。
[0004]一维的碳管和二维的石墨烯，在电场作用下都具有电致伸缩和量子伸缩效应，在原理上可实现IPMC致动行为，两者通过强的π-π键作用，可以形成导电性较好的三维网络结构，但是纯的碳管/石墨烯电极由于电化学储能较弱，还无法构筑高性能的IPMC器件。而具有三维纳米阵列结构的氧化物(如Ni0、Mn02、Co3O4等)具有快的能量传输、高的能量密度等特性，与碳纳米材料复合后可大幅度提高其电化学储能特性；同样，具有三维结构的氧化物可以减少电解质层中离子扩散阻抗来提高器件快速充放电特性。因此，理论而言，复合结构纳米阵列氧化物的碳管-石墨烯驱动器，电化学储能方面会有较大的提高，驱动性能也会有很大的提升。
【发明内容】
[0005]为解决以上所述存在的不足，本发明提供一种IPMC电化学驱动器制备方法，这种IPMC电化学驱动器制备方法，包括如下步骤:
[0006]S1:制取石墨烯/碳管膜:将石墨烯或碳管或他们的混合物溶于有机溶剂形成分散液，将分散液置于衬底上蒸发溶剂形成石墨烯/碳管膜；
[0007]S2:制取氧化镍-石墨烯/碳管纳米电极:将石墨烯/碳管膜置入铵盐和镍盐的碱性溶液中，保温、清洗、退火得到三维阵列结构的氧化镍-石墨烯/碳管纳米电极；
[0008]S3:覆电解质层:将高聚物热塑性聚氨酯与离子液体分散液涂覆到步骤S2中的氧化镍-石墨烯/碳管纳米电极层上，蒸发溶剂形成电极层与电解质层一体结构；
[0009]S4:制备IPMC电化学驱动器:将两个S3所得的一体结构的电解质层对接通过热压形成IPMC电化学驱动器。
[0010]其中，在所述步骤SI前，包括步骤SO:将氧化石墨烯和/或碳管进行还原处理形成石墨烯或碳管或他们的混合物。
[0011]其中，所述步骤SO是:按摩尔比为1: O?O:1取氧化石墨烯和碳管，将碳管溶于氧化石墨烯水溶液中，还原处理方法为化学还原法，加入化学还原剂水合肼，在90°c油浴环境进行还原反应8h，接着抽滤、水洗、烘干后形成石墨烯或碳管或他们的混合物。
[0012]其中，所述化学还原剂用氢碘酸或硼氢化钠或抗坏血酸代替，其还原方法不局限于化学还原，还可采用热、光、电化学等还原方法。
[0013]另外，所述步骤S2得到三维阵列氧化镍-石墨烯/碳管纳米膜后，还可以用以下步骤代替:
[0014]S5，将氧化镍-石墨烯/碳管纳米膜在400摄氏度下，利用氢气将其还原为镍-石墨烯/碳管纳米电极；
[0015]S6，覆电解质层:将高聚物热塑性聚氨酯与离子液体分散液涂覆到步骤S5中的镍-石墨烯/碳管纳米电极层上，蒸发溶剂形成电极层与电解质层一体结构；
[0016]S7:制备IPMC电化学驱动器:将两个S6所得的一体结构的电解质层对接通过热压形成IPMC电化学驱动器。
[0017]其中，所述有机溶剂为1-甲基-2-吡咯烷酮、氮，氮-二甲基甲酰胺、氮，氮-二甲基乙酰胺中的一种，石墨烯/碳管的浓度范围为0.001?50mg/ml。
[0018]其中，所述步骤S2中:所述的碱性溶液保温温度范围为O?300°C，保温时间范围为40h?lmin，退火处理的温度为100-1000°C，退火气体氛围为惰性气体；
[0019]有益效果:本发明在水体系中，利用氧化石墨烯与碳管之间的π-π键作用来分散碳管，再通过搅拌和冰浴超声进一步提高两者之间的分散性。与传统的IPMC技术相比，本发明所提供的三维纳米阵列氧化物-石墨烯/碳管纳米电极IPMC电化学驱动器，纳米电极制备方法简单，成本低廉，驱动器在空气中稳定性好，电极与电解质层界面耦合性较好。
【附图说明】
[0020]图1是IPMC电化学驱动器制备示意图。
[0021]图2是石墨烯/碳管在镍盐、铵盐的碱性溶液中反应1h的混合电极表面氧化镍形貌的SEM图。
[0022]图3是石墨烯/碳管在镍盐、铵盐的碱性溶液中反应1h的混合电极截面氧化镍高度的SEM图。
[0023]图4是氧化镍-石墨烯/碳管XRD曲线。
[0024]图5是石墨烯/碳管在镍盐、铵盐的碱性溶液中反应1h所制备的驱动器最大致动位移对应的应变速率随频率的变化曲线图。
[0025]图6是驱动在2.5V，IHz频率下驱动致动位移实例图。
【具体实施方式】
[0026]如图1所示，本发明三维氧化镍-石墨烯/碳管纳米电极的IPMC电化学驱动器的制备方法包括以下步骤:
[0027]1、将氧化石墨烯与碳管称取一定量通过还原、清洗、离心、抽滤溶于有机溶剂，形成石墨烯/碳管分散液。再将分散液置于衬底上加热蒸发溶剂形成石墨烯/碳管膜。
[0028]在本步骤中，氧化石墨烯和碳管的摩尔比列范围控制在1:0?0:1。将碳管溶于氧化石墨烯水溶液中，再加入化学还原剂水合肼，900C油浴反应8h，抽滤，水洗，烘干后溶于NMP (1-甲基-2-吡咯烷酮)溶液中形成石墨烯/碳管分散液，石墨烯/碳管的浓度范围为0.001?50mg/ml为宜。将石墨烯/碳管分散液casting到玻璃载玻片上，在80°C的加热平台上烘干，再放入真空烘箱一天，形成石墨烯/碳管膜。
[0029]2、将步骤I中的石墨烯/碳管膜置入铵盐和镍盐的碱性溶液中，保温、清洗、退火得到三维阵列结构的氧化镍-石墨烯/碳管纳米电极。
[0030]在本步骤中，先配置氯化镍、氯化铵的碱性溶液后，将碳纳米材料石墨烯/碳管膜载玻片放入溶液中，保温一段时间后，取出石墨烯/碳管，清洗，烘干后进行热处理退火，可得到三维纳米阵列氧化镍-石墨烯/碳管电极，还可以进行氢气还原退