一种可拉伸的具有高效摩擦发电效应的MXene/石墨烯复合电极及其制备方法

本发明属于新能源技术和电子领域，具体涉及一种可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极及其制备方法。

背景技术：

1、可延展电极是柔性能源、传感器、功能电子皮肤等柔性电子器件的基本构造单元，扮演着基石的功能。它的柔性与可延展性使其具有更好的生物相容性和贴服性，能够更精准，长期稳定地监测人体信号，将为实现稳定的人机接口打下良好的基础。为了得到可靠的性能，可延展电极需要兼具可延展性、粘附性、表面修饰和生物兼容性等。但研究者在追求高可延展性的同时，很难兼顾其它需求。其主要瓶颈是大形变下可延展电极电子/电荷输运性能衰退且无法恢复，导致器件导电性和功能性降低。

2、目前研究发现，二维过渡金属碳/氮化物材料mxene，其具有丰富的表面官能团、比表面积和电导率，非常适合开发柔性电极。但mxene材料由于片层柔韧性较差，本身不具有可延展性，极大地阻碍了其实际应用。一方面，可以将mxene与高强度石墨烯材料复合形成复合材料，提高电极的机械性能。另一方面，可以构建可延展结构如褶皱结构、蛇形结构、纳米线网络结构、微裂纹结构等，但都会引起电导率低、延展性小、可恢复性差等问题。因此，将多种方法有机结合是一种理想的设计方案，对于复合材料间电子输运机理，微结构特性与器件宏观电力学性能间构效关系研究十分重要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，本发明具有通用性强、易于推广、制作成本低、操作简单等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，该方法包括，制备转印基底，制备mxene薄膜，制备mxene/石墨烯电极，将复合电极转印到具有微纳结构表面柔性聚合物上，形成褶皱结构得到可延展复合电极。

4、步骤1：通过静电纺丝法制备pva薄膜，作为转印基底；

5、步骤2：将浓度为1mg/ml-20mg/ml的mxene分散液搅拌超声后，以转印基底为滤膜，在真空抽滤装置上采用抽滤的方式制备mxene薄膜；

6、步骤3：将铜箔上生长的单层石墨烯通过湿法转印方式转印到mxene薄膜上，通过范德华力形成mxene/石墨烯电极；

7、步骤4：制备具有纳米柱状微结构的模板，将聚合物液体涂在模板表面，加热固化后，形成具有纳米根系微结构的可延展聚合物；

8、步骤5：将mxene/石墨烯复合电极转印到预拉伸的可延展聚合物上，用水溶解掉表面的pva转印基底；

9、步骤6：转印后释放应力，形成褶皱结构，最终得到具有增强型褶皱微结构的mxene/石墨烯复合电极。

10、进一步的，静电纺丝法所采用的pva为水溶液，其浓度为5wt%-20wt%，形成的pva薄膜的孔径为0.1um-10um。

11、进一步的，所述mxene分散液是通过ti3alc2刻蚀而来，刻蚀液为氢氟酸或者氟化锂/盐酸。

12、进一步的，步骤3的湿法转印包括以下步骤;

13、步骤s1:在铜基底上生长单层石墨烯；

14、步骤s2:在石墨烯表面旋涂固化一层pmma薄膜；

15、步骤s3:将铜/石墨烯/pmma薄膜浸泡到氯化铁溶液中去除铜，用去离子水清洗后捞出；

16、步骤s4:用mxene薄膜将石墨烯/pmma薄膜捞出，用丙酮去除pmma膜，形成mxene/石墨烯电极。

17、进一步的，石墨烯为大片单层结构，尺寸为1cm*1cm以上。

18、进一步的，所述纳米柱状微结构的高度为1um-5mm，直径为0.1um-1mm; 聚合物可以为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂其中的一种。

19、进一步的，所述的聚合物，其厚度范围为0.05mm-1mm。

20、进一步的，所述6的释放应力具体为：若步骤5的预拉伸为单向则释放单向预应变；若步骤5的预拉伸为双向则同时释放双向预应变或先释放单向预应变再释放另一方向预应变。

21、进一步的，所述的褶皱结构和纳米根系微结构可以隔离或降低拉伸、扭曲等形变对复合电极的影响。

22、进一步的，所述的预拉伸可以为0-1000%中的任意值，预拉伸为胶带拉伸后的长度与原长的比值。

23、上述mxene/石墨烯复合电极可以应用于能源领域的摩擦纳米发电领域中。

24、有益效果：

25、本发明制备的可延展复合电极一方面提高了摩擦面积和摩擦效应，有效增强了摩擦发电效应；另一方面，褶皱结构和纳米根系微结构可以对拉伸应变形成再分布和隔离，降低应变对复合电极的破坏，保持拉伸下复合电极导电性，维持其高摩擦性能。

技术特征：

1.一种可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：步骤1中静电纺丝法所采用的pva为水溶液，其浓度为5wt%-20wt%，制备的pva薄膜的孔径为0.1um-10um。

3.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：步骤2的mxene分散液是通过ti3alc2刻蚀而来，刻蚀液为氢氟酸或者氟化锂/盐酸。

4.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于，步骤3的湿法转印包括以下步骤;

5.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：石墨烯为大片单层结构，尺寸为1cm*1cm以上。

6.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：所述纳米柱状微结构的高度为1um-1mm，直径为0.1um-1mm; 聚合物为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种。

7.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：所述的聚合物，其厚度范围为0.05mm-1mm。

8.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤6的释放应力具体为：若步骤5的预拉伸为单向则释放单向预应变；若步骤5的预拉伸为双向则同时释放双向预应变或先释放单向预应变再释放另一方向预应变。

9.根据权利要求1所述的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于：步骤5的预拉伸为0-1000%中的任意值，预拉伸为胶带拉伸后的长度与原长的比值。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的可拉伸的具有高效摩擦发电效应的mxene/石墨烯复合电极。

技术总结
本发明公开了一种可拉伸的具有高效摩擦发电效应的MXene/石墨烯复合电极及其制备方法，该方法包括，制备转印基底，制备MXene薄膜，制备MXene/石墨烯电极，将复合电极转印到具有微纳结构表面柔性聚合物上，形成褶皱结构得到可延展复合电极。本发明公开的该可延展复合电极一方面提高了摩擦面积和摩擦效应，有效增强了摩擦发电效应；另一方面，褶皱结构和纳米根系微结构可以对拉伸应变形成再分布和隔离，降低应变对复合电极的破坏，保持拉伸下复合电极导电性，维持其高摩擦性能。本发明具有通用性强、易于推广、制作成本低、操作简单等优点。

技术研发人员：赵江,陈华民,甘剑达,文龙,林锦程,王军
受保护的技术使用者：闽江学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12