一种CoFe-MOF基复合电极大变形离子驱动器及电化学性能调控方法

本发明涉及智能材料与柔性电子器件，尤其涉及一种cofe-mof基复合电极大变形离子驱动器及电化学性能调控方法。

背景技术：

1、离子驱动器是一种基于电场作用下离子在电极/电解质界面迁移或嵌入/脱出行为产生形变的智能器件，具有驱动电压低、质量轻、柔韧性好、生物相容性优异等特点，在软体机器人、可穿戴设备、微创手术器械等领域具有重要应用前景。传统离子驱动器多采用碳纳米管、石墨烯或多孔碳作为电极材料，但其比电容较低、离子吸附位点有限，导致驱动应变和响应速度难以满足大变形、快响应的实际需求。

2、现有技术中金属有机框架材料因具有高比表面积、可设计的孔道结构及丰富的氧化还原活性位点，被视为下一代高性能离子驱动器电极的理想候选材料，co基mof因co2+/co3+的可逆氧化还原反应特性，表现出优异的赝电容性能。然而，单一co-mof存在导电性差、水热稳定性不足、循环过程中结构易坍塌等问题，限制了其实际应用，因此，本发明提出一种cofe-mof基复合电极大变形离子驱动器及电化学性能调控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cofe-mof基复合电极大变形离子驱动器及电化学性能调控方法，该cofe-mof基复合电极大变形离子驱动器及电化学性能调控方法通过构建cofe-mof纳米片垂直定向排列与pedot:pss三维导电网络的复合电极微观结构，结合底层富mof、表层富pedot的梯度分布，显著缩短了离子与电子传输路径，降低电荷转移电阻，通过离子交换膜基体与柔性聚酰亚胺基底的力学耦合效应，将微观电化学膨胀高效转化为宏观大角度形变，实现了驱动器响应速度与输出位移的双重提升，通过建立基于电化学阻抗谱与循环伏安曲线的性能反馈闭环调控机制，依据电荷转移电阻与体积比电容数据动态优化浆料配比及退火工艺，确保了批量化生产中产品性能的一致性与高良品率。

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cofe-mof基复合电极大变形离子驱动器及电化学性能调控方法，包括离子交换膜基体层、复合电极层、集流体层和封装保护层，所述离子交换膜基体层用于作为离子传输的介质和驱动器的支撑框架，所述复合电极层用于利用cofe-mof纳米片的高比表面积提供大量离子吸附位点，所述复合电极层包括cofe-mof纳米片和pedot:pss导电基质，所述复合电极层分别沉积于离子交换膜基体层上下表面。所述集流体层用于附着于复合电极层的外表面传导电流，所述封装保护层用覆盖于集流体层的边缘及侧面，隔绝外部环境对电极界面的侵蚀。

3、进一步改进在于：所述离子交换膜基体层厚度为50~200μm，所述复合电极层厚度为10~50μm，其中cofe-mof纳米片层间距为1~1.5nm。

4、进一步改进在于：所述cofe-mof纳米片的平均粒径为200nm~2μm。

5、进一步改进在于：所述复合浆料pedot:pss导电基质中pedot与pss的质量比为1:2.5~1:6。

6、进一步改进在于：所述cofe-mof纳米片沿垂直电极表面方向定向排列，所述pedot:pss导电基质包覆于mof纳米片表面并填充颗粒间隙，形成三维导电网络。

7、进一步改进在于：所述封装保护层包括柔性聚酰亚胺基底和聚二甲基硅氧烷封装层，所述柔性聚酰亚胺基底作为柔性支撑体用于为复合电极层提供局部刚性锚定点，所述聚二甲基硅氧烷封装层用于构建化学惰性微环境与应力缓冲界面。

8、一种cofe-mof基复合电极大变形离子驱动器电化学性能调控方法，包括以下步骤：

9、步骤一、前驱体制备，将钴盐与铁盐按摩尔比1:1~1:2溶于有机溶剂形成金属前驱液，于100~140℃下进行溶剂热反应6~12小时，诱导晶体沿特定晶面择优生长，形成具有高结晶度的菱形十二面体结构，反应后在60~80℃真空环境下干燥12小时，获得cofe-mof前驱体粉末；

10、步骤二、复合浆料配置，将步骤一中制得的cofe-mof前驱体粉末分散于pedot:pss水溶液中，加入质量分数为2~5%的kh-560硅烷偶联剂，搅拌形成均匀的复合涂覆浆料；

11、步骤三、薄膜沉积，将步骤二中制得的复合涂覆浆料涂覆于离子交换膜基体表面，湿膜涂覆厚度为50~150μm，涂覆速度为5~15mm/s，诱导高密度cofe-mof颗粒在重力与浓度梯度耦合作用下向离子交换膜界面迁移，同时在剪切力作用下pedot:pss链段沿水平方向取向排列，初步形成梯度分布微观结构；

12、步骤四、阶梯式后处理，对湿膜进行低温定型及高温交联，促使硅烷偶联剂发生水解缩合反应，在cofe-mof表面的金属羟基与pedot:pss的磺酸基之间形成牢固的si-o-me共价键，构筑强界面相互作用；

13、步骤五、性能反馈调控，测试驱动器的电化学阻抗谱及循环伏安曲线，根据测得的电荷转移电阻和比电容数据，反馈调整步骤二中的固含量比例和步骤四中的退火温度。

14、进一步改进在于：所述步骤四中阶梯式后处理包括以下步骤：

15、s1、低温定型，将涂覆后的湿膜置于60~80℃的真空干燥箱中保温1~2小时，去除浆料中的游离水分及易挥发有机溶剂，使复合电极层初步定型；

16、s2、高温交联阶段，以1~3℃/min的升温速率将温度升至110~130℃，并恒温保持20~40分钟，交联剂kh-560发生水解缩合反应，在cofe-mof表面的羟基与pedot:pss的磺酸基之间形成si-o-me共价键，完成界面化学键合；

17、s3、酸液掺杂，待样品冷却至室温后，将其浸入浓度为0.5~2.0mol/l的硫酸水溶液中浸泡10~30分钟，通过h+与pss链上的na+发生离子交换，提高载流子迁移率与电导率；

18、s4、离子交换平衡，将掺杂后的样品转移至去离子水中漂洗表面残酸，随后在0.1~0.5mol/l的liclo4电解液中浸泡12~24小时，使离子交换膜基体及复合电极层达到离子交换平衡。

19、进一步改进在于：所述步骤五中性能反馈调控包括以下步骤：

20、s1、数据采集，测试经s4步骤处理后的驱动器样品的电化学阻抗谱及循环伏安曲线，测试频率范围为0.01hz~100khz；

21、s2、参数解算，对eis数据进行等效电路拟合，提取高频区截距对应的欧姆电阻rs以及中频区半圆直径对应的电荷转移电阻rct；计算循环伏安曲线在扫描速率50 mv/s下的闭合积分面积，换算得到体积比电容；

22、s3、反馈调节，电荷转移电阻大于预设阈值时判定为界面接触不良或导电网络不连续，反馈提高步骤二中pedot:pss的质量占比，体积比电容低于预设阈值时判定为离子传输受阻，反馈降低步骤四退火温度以保护mof孔道结构。

23、本发明的有益效果为：本发明通过构建cofe-mof纳米片垂直定向排列与pedot:pss三维导电网络的复合电极微观结构，结合底层富mof、表层富pedot的梯度分布，显著缩短了离子与电子传输路径，降低电荷转移电阻，提高了导电性能；

24、通过离子交换膜基体与柔性聚酰亚胺基底的力学耦合效应，将微观电化学膨胀高效转化为宏观大角度形变，提升了循环过程中结构稳定性，实现了驱动器响应速度与输出位移的双重提升；

25、通过建立基于电化学阻抗谱与循环伏安曲线的性能反馈闭环调控机制，依据电荷转移电阻与体积比电容数据动态优化浆料配比及退火工艺，确保了批量化生产中产品性能的一致性与高良品率。