金属有机框架/聚吡咯复合织物电极材料的制备及应用研究

来源 :武汉纺织大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yxhetao
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近年来,具有便携、可穿戴、易打理等特点的可穿戴智能纺织品发展迅速,可穿戴纺织品分为可穿戴智能服装与可穿戴智能设备,各领域对其需求也日益增加,例如,织物电极可编织于智能服装中用于心电信号的收集,还可组装为超级电容器在可穿戴智能设备中作为柔性能量存储组件,以较小的体积与良好的柔性持续供给能源。棉织物本身具有多孔性,质轻,柔软,可折叠且易加工的特点。聚吡咯(PPy)具有环境稳定性好、理论比电容大、生物相容性好、可拉伸、柔软、易制备等优点。金属有机框架(MOFs)具有多孔结构、高比表面积及足够多的氧化还原活性位点在能量存储界引起广大学者的注意,其中,Zr-MOF(UIO-66)自身具有一定的赝电容,高价态的金属中心Zr(IV)可增强金属-有机交联基团的强度,在水、乙醇、N、N-二甲基甲酰胺等溶液以及酸性条件下具有优异的化学稳定性。结合以上优点此论文制备了棉织物自支撑轻质柔软的UIO-66/PPy复合电极材料,此电极材料可用于柔性超级电容器及可穿戴的智能纺织品中。主要研究内容如下:(1)通过溶剂热法和引入“软模板”原位聚合法分别在棉织物上沉积UIO-66与纳米管状PPy,成功制备了PPy@UIO-66@CT复合织物电极,该复合电极电导率可达14.29S·cm-1,室温下在电流密度为1.6mA·cm-2时,比容量高达565F·g-1(1993.44mF·cm-2),更为突出的是经过500个循环后,仅有5%的电容损失,具有良好的倍率性能,同等条件下制备的PPy@CT电极所得质量比电容为301F·g-1,500次循环后电容仅剩余46%。这是由于PPy纳米管具有良好的一维导电性结构,可作为UIO-66粒子的导电连接器,使之具有更高速的电荷转移能力,且UIO-66不仅提供了自己的赝电容,还起到了机械缓冲作用,在弯曲150次及胶带剥离实验后电容几乎没有改变,本研究证实了MOFs与PPy纳米管结合的复合电极材料在组构的柔性超级电容器中具有广阔的前景应用前景。(2)通过溶剂热法和冷冻界面聚合法在棉织物上分别沉积UIO-66与PPy,成功制备了PPY/UIO-66/Cwf复合织物电极,该电极活性物质负载量达到商业要求且具有高电导率(18.89S·cm-1),在1.6mA·cm-2电流密度下实现了较大的比容量3888mF·cm-2(410.4F·g-1),1000次循环后电容保持率为73%。同等条件下制备的PPy/Cwf织物电极面积比容量为2724mF·cm-2,1000次循环后电容所剩无几。这是因为冷冻界面聚合在低温多相的条件下反应得到更加致密的PPy,加之UIO-66的多孔特性为PPy提供了更多的生长活性位点,在聚合时间为18h时具有合适的PPy负载量,这使得织物电极在充放电循环过程中面对PPy的粉化膨胀适应自如。因此我们可以认为UIO-66的加入提高了电极材料有效的活性,此时较高的面积比容量更为突出,在可穿戴纺织品能量存储方面占有一席之地。
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