一种纳米层状MXene离子交联复合电极、柔性驱动器件及其制备方法

本发明涉及纳米复合材料与柔性驱动器件，尤其涉及一种纳米层状mxene离子交联复合电极、柔性驱动器件及其制备方法。

背景技术：

1、离子型电活性聚合物驱动器具有低驱动电压、大形变和高能量密度等优点，在柔性机器人、人工肌肉和微流体控制领域具有广阔的应用前景。电极材料是决定离子驱动器性能的核心组件，要求同时具备高电子电导率、优异的柔韧性和良好的循环稳定性。

2、mxene作为一种新型二维过渡金属碳氮化物（其中ti3c2tx为典型代表，ti代表钛元素，c代表碳元素，t代表表面终端官能团，x代表官能团数量），具有金属导电性和亲水性表面，是离子驱动器电极的理想候选材料。然而，ti3c2txmxene纳米片层间范德华力较强，纳米片易发生紧密堆叠，导致层间距离小于1.1nm，电解液离子难以嵌入层间进行有效插层和脱插层，限制了电极的电化学活性和驱动形变能力。同时，纯mxene薄膜的机械柔韧性不足，在反复弯曲驱动过程中易产生微裂纹，导致循环寿命衰减严重。

3、为克服上述不足，研究人员尝试将导电聚合物与mxene复合以撑开层间距离。聚吡咯（ppy）具有高导电性和良好的电化学活性，被广泛用于mxene复合改性。但简单物理混合无法使聚吡咯有效进入纳米级层间空间，层间距离撑开效果有限。此外，聚吡咯在充放电循环中发生显著的体积膨胀和收缩，导致复合电极层状结构在循环过程中逐步崩塌，电容保持率下降迅速。因此本发明提出一种纳米层状mxene离子交联复合电极、柔性驱动器件及其制备方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提出一种纳米层状mxene离子交联复合电极、柔性驱动器件及其制备方法，本发明通过原位聚合和金属离子配位交联的协同作用，在mxene纳米片层间构建物理撑开与化学锁定双重限域网络，实现层间距离的精确调控和长期循环结构稳定，从而解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种纳米层状mxene离子交联复合电极，所述纳米层状mxene离子交联复合电极包含ti3c2txmxene纳米片、聚吡咯和金属离子交联剂，多层所述ti3c2txmxene纳米片堆叠形成层状骨架结构，所述层状骨架结构中相邻ti3c2txmxene纳米片之间的层间距离为1.2nm~1.8nm，所述聚吡咯原位填充于mxene纳米片层间空间，所述金属离子交联剂与ti3c2txmxene纳米片表面含氧官能团形成配位键，所述纳米层状mxene离子交联复合电极为薄膜状结构，所述薄膜状结构具有电极厚度。

3、进一步改进在于：所述金属离子交联剂选自fe3+、ca2+或al3+中的一种，所述ti3c2txmxene纳米片与聚吡咯的质量比为1:0.2~1:1，所述电极厚度为5μm~50μm。

4、进一步改进在于：所述纳米层状mxene离子交联复合电极在1a/g电流密度下的比电容为380f/g~520f/g，在1000次弯曲循环后电容保持率为85%~94%。

5、一种纳米层状mxene离子交联复合电极构建的柔性驱动器件，所述柔性驱动器件包括依次层叠设置的第一电极层、电解质层和第二电极层，所述第一电极层和第二电极层均为纳米层状mxene离子交联复合电极，所述电解质层为凝胶聚合物电解质，且凝胶聚合物电解质填充于第一电极层与第二电极层之间，所述第一电极层和第二电极层均为矩形片状结构，且矩形片状结构具有片层宽度和片层长度，所述第一电极层具有第一电极层厚度，所述第二电极层具有第二电极层厚度，所述第一电极层与第二电极层在长度方向上的第二端形成错位区域，所述错位区域具有错位区域长度。

6、进一步改进在于：所述凝胶聚合物电解质由聚乙烯醇、去离子水和磷酸组成，所述聚乙烯醇、去离子水和磷酸的质量比为1:8:1~1:12:1；所述凝胶聚合物电解质的厚度为20μm~80μm。

7、进一步改进在于：所述片层宽度为2mm~10mm，所述片层长度为10mm~40mm，所述第一电极层的厚度与第二电极层的厚度之比为0.8:1~1.2:1，所述第一电极层与第二电极层在宽度方向上的两端对齐设置，所述第一电极层与第二电极层在长度方向上的第一端齐平，所述错位区域长度为4mm~8mm，且错位区域用于连接外部驱动电源。

8、进一步改进在于：所述柔性驱动器件在±1.5v方波电压驱动下，在0.1hz频率条件下尖端位移幅值为8mm~15mm，在10hz频率条件下尖端位移幅值仍可保持0.1hz频率条件下尖端位移幅值的20%~40%。

9、一种柔性驱动器件制备方法，包括以下步骤：

10、步骤一：将氟化锂加入盐酸溶液中，搅拌至氟化锂完全溶解，获得刻蚀溶液，然后将ti3alc2max相粉末加入刻蚀溶液中，在35℃~45℃温度条件下搅拌反应24h~48h，获得反应产物，之后将反应产物用去离子水洗涤至ph值为6~7，后经离心分离获得ti3c2txmxene沉淀，再将ti3c2txmxene沉淀分散于去离子水中，并在惰性气体保护和避光条件下进行超声剥离处理，超声剥离处理的时间为1h~3h，经离心分离收集上层分散液，获得ti3c2txmxene纳米片分散液；

11、步骤二：向ti3c2txmxene纳米片分散液中加入吡咯单体，在0℃~5℃温度条件下搅拌30min~60min，获得混合分散液，再向混合分散液中滴加氧化剂溶液，在0℃~5℃温度条件下反应6h~12h，使吡咯单体在ti3c2txmxene纳米片层间原位聚合形成聚吡咯，获得mxene-聚吡咯复合分散液；

12、步骤三：向mxene-聚吡咯复合分散液中加入金属离子交联剂溶液，在室温条件下搅拌2h~4h，获得交联复合分散液；

13、步骤四：将交联复合分散液采用真空抽滤方式沉积于滤膜表面，并在真空条件下干燥12h~24h，再将干燥后的复合薄膜从滤膜表面剥离，获得纳米层状mxene离子交联复合电极，再将纳米层状mxene离子交联复合电极裁切为第一电极层和第二电极层；

14、步骤五：将聚乙烯醇、去离子水和磷酸按质量比1:8:1~1:12:1混合，并在85℃~95℃温度条件下搅拌2小时~4小时，获得凝胶聚合物电解质，之后将所述凝胶聚合物电解质涂覆于所述第一电极层表面，将所述第二电极层覆盖于凝胶聚合物电解质表面，使凝胶聚合物电解质填充于第一电极层与第二电极层之间，在室温条件下静置固化12小时~24小时，获得所述柔性驱动器件。

15、进一步改进在于：所述步骤一中，盐酸溶液的浓度为6mol/l~12mol/l，所述氟化锂与盐酸溶液的质量体积比为1g:10ml~1g:20ml，所述ti3alc2max相粉末与所述氟化锂的质量比为1:1~1:2。

16、进一步改进在于：所述步骤二中，所述吡咯单体与所述ti3c2txmxene纳米片的质量比为0.2:1~1:1；所述氧化剂溶液为过硫酸铵水溶液，所述过硫酸铵水溶液的浓度为0.1mol/l~0.5mol/l；所述过硫酸铵与所述吡咯单体的摩尔比为1:1~1.5:1。

17、本发明的有益效果为：本发明通过原位聚合和金属离子配位交联的协同作用，在mxene纳米片层间构建物理撑开与化学锁定双重限域网络，使层间距离显著增大且保持结构稳定，循环寿命大幅延长，同时聚吡咯在mxene层间的原位填充以及金属离子交联剂的配位锚定，构建了兼具高电子导电性和高离子通透性的三维复合网络，电极比电容显著提升。其次本发明柔性驱动器件通过错位区域的结构设计实现非对称电化学应变，在低频驱动条件下尖端位移幅值大幅提升，同时具备良好的高频响应特性，兼顾低频大位移驱动能力和中高频响应能力，且采用一锅法串联工艺，在mxene分散液中依次完成原位聚合和金属离子交联，无需中间分离纯化步骤，制备工艺简练高效，电极结构均一性优良，适合批量化生产。