CN109036623A - 一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法 - Google Patents

一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109036623A
CN109036623A CN201810715008.4A CN201810715008A CN109036623A CN 109036623 A CN109036623 A CN 109036623A CN 201810715008 A CN201810715008 A CN 201810715008A CN 109036623 A CN109036623 A CN 109036623A
Authority
CN
China
Prior art keywords
purine
cellulose
containing structure
preparation
ion conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810715008.4A
Other languages
English (en)
Inventor
赵光磊
李晓凤
司徒垣秋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201810715008.4A priority Critical patent/CN109036623A/zh
Publication of CN109036623A publication Critical patent/CN109036623A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/02—Oxycellulose; Hydrocellulose; Cellulosehydrate, e.g. microcrystalline cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/05—Derivatives containing elements other than carbon, hydrogen, oxygen, halogens or sulfur
    • C08B15/06—Derivatives containing elements other than carbon, hydrogen, oxygen, halogens or sulfur containing nitrogen, e.g. carbamates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/10—Crosslinking of cellulose

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法。本发明采用纤维素原料、含嘌呤结构材料作为主要材料，采用接枝或交联等方法，如采用环氧氯丙烷、高碘酸钠接枝或甲醛交联，制备含嘌呤结构的纤维素改性材料。材料选用包括腺嘌呤、一磷酸腺苷等廉价材料。该工艺方法成熟，工艺流程简单，所用原料成本低。所制备材料属于国家大力发展的新电子/能源材料的范畴，在导电薄膜、柔性电极、柔性电容器和燃料电池用质子交换膜等方面具有广泛引用前景，是当前我国国民经济和社会发展的客观需要和迫切需要解决的科技问题。

Description

一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学能源储存及能源转化领域，具体涉及一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法。
背景技术
纤维素是自然界中产量最大、分布最广的一类天然高分子。与人工合成的高分子相比，其具有环境友好、生物相容、生物降解以及来源广泛等优点。这些优良的性能以及目前人类所面对的一系列能源、环境等问题使得纤维素及其功能化方面的研究成为当今国际科学研究的前沿热点领域之一。除了具有纤维素的诸多优点外，纳米纤维素还具有有纳米尺寸的精细结构、较高的强度、较低的热膨胀系数等特点，此外，纳米纤维素原有的高吸水性、溶胀性、生物相容性等特性使其易于成膜与凝胶化，可以作为结构稳定、机械性能优良的载体材料、基体材料或者骨架支撑材料，与无机纳米材料(纳米晶体、纳米线、纳米管)、金属离子及其氧化物、碳纳米管、石墨烯(氧化石墨烯)、导电高分子等复合，可以得到高导电性、光电转换性、电化学氧化还原特性的特殊功能新型纳米材料。除此之外，近几年来，随着化学、机械、酶催化等方法的合理利用与工艺优化，大规模化、高效率和低成本的生产纳米纤维素得以实现。
虽然纳米纤维素因其分子结构多羟基的特性会吸附电解质溶液而对离子传导启动促进作用，但因其受对电解质液的吸附量较容易收到环境变化的影响，因而会对超级电容器的性能产生影响。电化学活性物质在充放电过程中总会伴随着体积的变化。这种电化学活性物质在充放电过程中体积的改变将严重影响储能器件的性能以及使用寿命。因此，纳米纤维素在柔性导电/离子材料上尚有较大发展潜力。
近年来，含氮杂环的化合物在导电薄膜、超级电容器上得到越来越多的关注。一方面，由于氮原子上有孤对电子能提供给金属化合物中金属的空轨道，生成的络合物具有高效催化活性、对贵金属化合物具有吸附性或铁磁性，而且这类化合物玻璃化温度高，具有优良的抗氧化性、热稳定性，因此在高温低湿条件下能保持很好的性能。另一方面，由于氮原子特有的结构使其既可以成为质子载体，又可以成为质子受体。目前，研究较多的氮杂环化合物包括咪唑、吡啶、聚苯并咪唑。
而嘌呤是一种有机芳香碱，与核糖或脱氧核糖通过糖苷键结合形成腺苷或脱氧腺苷。它的4个共轭的氮结构使它有望成为良好的质子給体和质子受体应用在导电材料上，其结构式如下所述，分别为腺嘌呤、一磷酸腺苷和2,6-二氨基腺嘌呤的化学结构式。
关于嘌呤这类氮杂环化合物对于纳米纤维素的改性以提高其导电或离子传导活性的研究尚未见报道。
发明内容
针对目前纤维素基离子导电材料制备方法上存在的缺陷和不足。本发明提供了一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法：采用纤维素、含嘌呤结构材料作为主要材料，采用不同的接枝或交联原料(环氧氯丙烷、高碘酸钠、甲醛等)和方法制备新型含嘌呤结构的纤维素材料。含嘌呤结构材料选用包括腺嘌呤、一磷酸腺苷等廉价材料。该工艺方法成熟，所用原料成本低。该方法研究所制备材料属于国家大力发展的新电子/能源材料的范畴，在导电薄膜、柔性电极、柔性电容器和燃料电池用质子交换膜等方面具有广泛引用前景，是当前我国国民经济和社会发展的客观需要和迫切需要解决的科技问题。该材料的发展和应用过程中结合目前制浆造纸工业已有的设备和工艺，不仅有利于降低成本，便于实现连续工业化生产，为新兴电子、能源设备的发展添加助力，为解决电子工业目前面临的电子垃圾所造成的环境污染问题提供新的思路，具有良好的环境和社会效益。
本发明的原理是利用纤维素原料作为基材，通过不同的接枝或交联原料(环氧氯丙烷、高碘酸钠、甲醛等)，将含嘌呤结构材料接到纤维素上。然后将该改性材料应用于质子交换膜、超级电容器等方面。该工艺方法成熟，工艺流程简单。所用原料成本低，便于实现连续工业化生产，本方法极具工业应用价值和社会效益。
本发明的目的通过以下技术方法得以实现。
将纤维素原料(纳米纤维素、微晶纤维素等)，采用不同的接枝、交联原料将纤维素分子或材料赋予嘌呤结构侧链上，反应结束后离心，洗涤，干燥即可得到含嘌呤结构离子导电材料。
上述方法中，优选的纤维素原料采用由微晶纤维素通过硫酸酸水解法制得的纳米纤维素原料。
上述方法中，优选的酸水解采用的硫酸浓度为50-70％。
上述方法中，优选的含嘌呤结构材料包括腺嘌呤、一磷酸腺苷、2,6-二氨基腺嘌呤、二磷酸腺苷。
上述方法中，优选的接枝原料包括环氧氯丙烷、高碘酸钠，交联原料为醛类材料中的一种。
上述方法中，优选的醛类材料为甲醛或乙二醛。
上述方法中，优选的加入的接枝原料与含嘌呤结构材料反应基团摩尔比为1:1～3:1。
本发明还提供了由以上制备方法得到的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料。
本发明相对于现有技术具有以下优点和效果：
1、与现有的离子导电材料相比，本发明主要原料为纳米纤维素等纤维素原料，来源丰富，价格低廉，安全性高。
2、与现有天然纤维素材料相比，本发明赋予其本身没有的电催化性能。
3、与现有的质子交换膜材料相比，本发明利用含嘌呤结构材料对纤维素进行改性，使其能在高温低湿条件下具有较高的质子传导率。
4、与现有的氮杂环离子导电材料相比，本发明所应用的含嘌呤结构材料因其含有更多的共轭结构及氮杂原子，使材料含有更佳的质子(离子)传导性能。
附图说明
图1是实施例1中腺嘌呤-微晶纤维素与微晶纤维素红外对比图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度为63％硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。在0.5g(绝干)纳米纤维素中加入10ml 60g/L的高碘酸钠溶液，45℃下避光反应3h，将反应后溶液用去离子水透析1天，加入0.2g腺嘌呤溶液80℃下反应6h。离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。
实施例2
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度63％为硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。在0.5g(绝干)纳米纤维素中加入10ml 60g/L的高碘酸钠溶液，45℃下避光反应3h，将反应后溶液用去离子水透析1天，加入0.4g腺嘌呤溶液80℃下反应6h。离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。
实施例3
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度63％为硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。在0.5g(绝干)纳米纤维素中加入20ml 60g/L的高碘酸钠溶液，45℃下避光反应3h，将反应后溶液用去离子水透析1天，加入0.4g腺嘌呤溶液80℃下反应6h。离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。
实施例4
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度63％为硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。取0.5g纳米纤维素倒入三口瓶，加入95％的乙醇溶液和2％的NaOH溶液；在65℃水浴下搅拌l h；用滴管取0.2875g的环氧氯丙烷，注入三口瓶，继续搅拌2h；再加入0.2g腺嘌呤溶液60℃下反应6h，离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。
实施例5
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度63％为硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。取0.5g纳米纤维素倒入三口瓶，加入95％的乙醇溶液和2％的NaOH溶液；在65℃水浴下搅拌l h；用滴管取0.2875g的环氧氯丙烷，注入三口瓶，继续搅拌2h；再加入0.4g腺嘌呤溶液60℃下反应6h，离心，收集产物，40摄氏度下真空干燥24h。
实施例6
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度63％为硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水测终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。取0.5g纳米纤维素倒入三口瓶，加入95％的乙醇溶液和2％的NaOH溶液；在65℃水浴下搅拌l h；用滴管取0.575g的环氧氯丙烷，注入三口瓶，继续搅拌2h；再加入0.4g腺嘌呤溶液60℃下反应6h，离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。
实施例7
首先称取15g微晶纤维素，用量筒量取150mL浓度63％为硫酸溶液先后加到三角烧瓶中，将三角烧瓶移入恒温水浴锅内恒温恒速(温度46℃，转速300r/min)搅拌反应60min，反应后加入适量蒸馏水测终止反应，去离子水洗涤5～6次得到纳米纤维素。取0.5g纳米纤维素倒入三口瓶，加入95％的乙醇溶液和2％的NaOH溶液；在65℃水浴下搅拌l h；用滴管取0.575g的环氧氯丙烷，注入三口瓶，继续搅拌2h；再加入0.4g二氨基腺嘌呤溶液60℃下反应6h，离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。取1g上述产物于三口烧瓶中，加入0.8g腺嘌呤，保持温度在90℃，逐滴滴加0.36g乙二醛，反应9h，离心，收集产物，40℃下真空干燥24h。
图1是实施例1中腺嘌呤-微晶纤维素与微晶纤维素红外对比图，从图1中可以看出，腺嘌呤-微晶纤维素在2899cm-1位置出现亚甲基的特征吸收峰，且在1651cm-1出现醛基特征吸收峰，在1122cm-1位置出现明显的C-N键特征吸收峰，说明腺嘌呤大概率接枝到氧化后的微晶纤维素的侧链上。其他实施例的效果参照实例1。

Claims (8)

1.一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于：将含嘌呤结构材料加入到纤维素原料中，进行接枝、交联反应，反应结束后离心，洗涤，干燥，即能得到含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料。
2.根据权利要求1所述的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于，所述的纤维素原料为微晶纤维素、纳米纤维素。
3.根据权利要求1所述的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于，所述交联、接枝反应能赋予纤维素原料以嘌呤结构。
4.根据权利要求1所述的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于，所述的含嘌呤结构材料包括腺嘌呤、一磷酸腺苷、二磷酸腺苷、2,6-二氨基腺嘌呤。
5.根据权利要求1所述的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于，所述的接枝或交联反应中接枝原料是环氧氯丙烷或高碘酸钠，交联原料是醛类材料中的一种。
6.根据权利要求5所述的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于，所述的醛类材料是甲醛或乙二醛。
7.根据权利要求1所述的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料的制备方法，其特征在于，所述接枝或交联反应中加入的接枝或交联原料与含嘌呤结构材料反应基团摩尔比为1:1~3:1。
8.由权利要求1—7任一项所述制备方法得到的一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料。
CN201810715008.4A 2018-06-29 2018-06-29 一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法 Pending CN109036623A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810715008.4A CN109036623A (zh) 2018-06-29 2018-06-29 一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810715008.4A CN109036623A (zh) 2018-06-29 2018-06-29 一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109036623A true CN109036623A (zh) 2018-12-18

Family

ID=65521442

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810715008.4A Pending CN109036623A (zh) 2018-06-29 2018-06-29 一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109036623A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115449174A (zh) * 2022-09-06 2022-12-09 苏州维伟思医疗科技有限公司 导电水凝胶及其制备方法与应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101070352A (zh) * 2007-03-27 2007-11-14 鲁东大学 一种片状微晶纤维素的制备和改性处理方法
US20120052307A1 (en) * 2004-08-03 2012-03-01 Waldfried Plieth Process for coating metallic surfaces with an anti-corrosive coating
CN108383916A (zh) * 2018-04-14 2018-08-10 青岛科技大学 一种ⅱ晶型纤维素纳米晶及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120052307A1 (en) * 2004-08-03 2012-03-01 Waldfried Plieth Process for coating metallic surfaces with an anti-corrosive coating
CN101070352A (zh) * 2007-03-27 2007-11-14 鲁东大学 一种片状微晶纤维素的制备和改性处理方法
CN108383916A (zh) * 2018-04-14 2018-08-10 青岛科技大学 一种ⅱ晶型纤维素纳米晶及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
徐逸轩: "含腺嘌呤聚芳醚砜质子交换膜的制备与性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
杨全岭等: "纳米纤维素基导电材料及其电子器件领域的研究进展", 《林业工程学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115449174A (zh) * 2022-09-06 2022-12-09 苏州维伟思医疗科技有限公司 导电水凝胶及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107235472B (zh) 氮掺杂多孔垂直石墨烯纳米墙阵列及其制备方法与应用
CN102810406B (zh) 以聚苯胺/取向碳纳米管复合膜为电极的超级电容器及其制备方法
CN105251513B (zh) 碳纳米管/过渡金属化合物复合材料的电沉积制备方法
Qiu et al. Effects of hydrazine hydrate treatment on the performance of reduced graphene oxide film as counter electrode in dye-sensitized solar cells
Wang et al. Facile synthesis of graphene paper/polypyrrole nanocomposite as electrode for flexible solid-state supercapacitor
Ren et al. A facile and sustainable hygroelectric generator using whole-cell Geobacter sulfurreducens
Zhang et al. Enhancing output performance of surface-modified wood sponge-carbon black ink hygroelectric generator via moisture-triggered galvanic cell
CN106053571B (zh) 离子液体基聚脂质体-金纳米粒子复合物的制备及应用
Wang et al. Graphitic carbon nitride/multiwalled carbon nanotubes composite as Pt-free counter electrode for high-efficiency dye-sensitized solar cells
He et al. Flexible binder-free hierarchical copper sulfide/carbon cloth hybrid supercapacitor electrodes and the application as negative electrodes in asymmetric supercapacitor
CN103390507B (zh) 一种石墨烯/铂纳米粒子复合纤维电极材料及其制备方法
Zhao et al. Cauliflower‐like polypyrrole@ MnO2 modified carbon cloth as a capacitive anode for high‐performance microbial fuel cells
Kadam et al. One-step deposition of nanostructured Ni (OH) 2/rGO for supercapacitor applications
Luo et al. Self-supported flexible supercapacitor based on carbon fibers covalently combined with monoaminophthalocyanine
Jiang et al. Synthesis and photovoltaic application of platinum-modified conducting aligned nanotube fiber
Güzel et al. Photosystem (PSII)-based hybrid nanococktails for the fabrication of BIO-DSSC and photo-induced memory device
Xu et al. Membrane-based symmetric supercapacitors composed of cellulose solution-derived polydopamine-modified separators and polypyrrole/graphene-doped polydopamine-modified electrodes
Lin et al. Natural cellulose substance based energy materials
Akbar et al. Synthesis of the novel binary composite of self-suspended polyaniline (S-PANI) and functionalized multi-walled carbon nanotubes for high-performance supercapacitors
Ates et al. rGO/MnO 2/Polyterthiophene ternary composite: pore size control, electrochemical supercapacitor behavior and equivalent circuit model analysis
CN111081476B (zh) 生物光伏电池及其制备方法
CN109036623A (zh) 一种含嘌呤结构的纤维素基离子导电材料及其制备方法
Arya et al. Porosity-engineered CNT-MoS2 hybrid nanostructures for bipolar supercapacitor applications
Magal et al. A comparative study for the electrocatalytic oxidation of alcohol on Pt-Au nanoparticle-supported copolymer-grafted graphene oxide composite for fuel cell application
Yang et al. Harvesting electricity from atmospheric moisture by engineering an organic acid gradient in paper

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181218

RJ01 Rejection of invention patent application after publication