CN111759315A - 一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1：制备氧化石墨烯/MXene混合溶液；S2：将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜；S3：将S2步骤得到的高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜通过激光直写技术获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极。本技术方案采用低成本的氧化石墨烯与MXene溶液混合后，通过激光直写技术制备激光还原石墨烯/MXene图案化复合电极，并将其作为传感和储能材料，设计了一种多功能的无源自供能电子皮肤系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，可用于能源存储与传感器交叉技术领域。
背景技术
近年来，用于人体健康监测和生物医学的可穿戴电子器件的需求日益增长。传统的可穿戴器件通常集成到刚性基板中并限制在有限的区域内工作，而且外接电源会增加器件的复杂度，降低设备的完整性。
目前，在用于检测人体运动和监测健康状况的各种传感器中，压阻式传感器是将外界压力转换为电阻信号的典型传感器，由于其制造成本低、结构简单等优点，在可穿戴设备中得到了广泛的应用。在各种储能器件中，超级电容器具有循环稳定性和生物相容性等优点，特别是平面内微超级电容器，具有与其他元件相似尺寸，保持了优异的电化学性能并同时满足集成度要求。
氧化石墨烯是一种多功能碳材料，可以通过简单溶液工艺大量生产，具有丰富的表面基团，对环境条件非常敏感，如压力、光线、温度等，这使得还原氧化石墨烯既可以用于储能，也可以在传感领域广泛应用。二维材料MXene含有碳原子层，所以具有类似石墨烯的良好导电性，而过渡金属层使其表现出类似过渡金属氧化物的性能，同时，表面多样的官能团赋予MXene良好的亲水性。目前，MXene及其复合材料已经在超级电容器和传感等诸多领域展现出实用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，
该制备方法包括以下步骤：
S1：制备氧化石墨烯/MXene混合溶液；
S2：将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜；
S3：将S2步骤得到的高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜通过激光直写技术获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极；
S4：将凝胶电解质均匀涂覆在S3步骤得到的图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元；
S5：将所述S3步骤中通过激光直写技术制备得到的条形状激光还原石墨烯/MXene复合薄膜与图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极均匀接触，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器传感单元；
S6：将两种不同功能的超级电容器储能单元与压阻传感器传感单元通过导线连接起来，最终形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统。
优选地，在所述S1步骤中，分别取2mg mL-1的氧化石墨烯溶液与5mg mL-1的MXene溶液进行混合，氧化石墨烯溶液与MXene溶液的质量比为20∶1，并将氧化石墨烯/MXene混合溶液超声30分钟。
优选地，在所述S2步骤中，将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，待氧化石墨烯/MXene混合溶液自然风干成膜，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜。
优选地，所述柔性基底为热塑性高分子聚合物，所述热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。
优选地，在所述S3步骤中，将S2步骤得到的氧化石墨烯/MXene固化成膜的柔性基底置于激光雕刻机下，通过激光直写技术将预设的电极图案雕刻至氧化石墨烯/MXene柔性复合薄膜上，获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极。
优选地，在所述S3步骤中，利用激光直写技术，将氧化石墨烯/MXene复合薄膜制成平面型图案化电极，包括叉指型、同心圆型、方型、回旋型。
优选地，在所述S4步骤中，将聚乙烯醇和浓硫酸形成的PVA/H2SO4凝胶电解质均匀涂覆在在图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元。
优选地，在所述S5步骤中，将所述S3步骤中通过激光直写技术制备得到的条形状激光还原石墨烯/MXene复合薄膜与图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极均匀接触，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器传感单元。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本技术方案采用低成本的氧化石墨烯与MXene溶液混合后，通过激光直写技术制备激光还原石墨烯/MXene图案化复合电极，并将其作为传感和储能材料，设计了一种多功能的无源自供能电子皮肤系统。该系统的制作过程简单且安全、节能环保，贴于表皮皮肤上，可以实现检测人体运动和监测健康状况等功能。
附图说明
图1为本发明的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法的流程图。
图2为本发明的激光还原石墨烯/MXene薄膜电极的扫描电镜(SEM)图。
图3为本发明的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统在0-1.0V下不同扫描速率下测得的循环伏安(CV)曲线图。
图4为本发明的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的恒电流充电傲电测试曲线图。
图5为本发明的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统所测得的手指弯曲响应图。
图6为本发明的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统所测得的表情变化响应图。
图7为本发明的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统所测得的灵敏度曲线图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法的流程图，如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
S1：制备氧化石墨烯/MXene混合溶液；
S2：将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜；
S3：将S2步骤得到的高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜通过激光直写技术获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极；
S4：将凝胶电解质均匀涂覆在S3步骤得到的图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元；
S5：将同样条件下激光直写技术制备的条形状激光还原石墨烯/MXene复合薄膜与图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极均匀接触，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器传感单元；
S6：将两种不同功能的超级电容器储能单元与压阻传感器传感单元通过导线连接起来，最终形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统。
在所述S1步骤中，分别取2mg mL-1的氧化石墨烯溶液与5mg mL-1的MXene溶液进行混合，氧化石墨烯溶液与MXene溶液的质量比为20∶1，并将氧化石墨烯/MXene混合溶液超声30分钟。
在所述S2步骤中，将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，待氧化石墨烯/MXene混合溶液自然风干成膜，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜。
所述柔性基底为热塑性高分子聚合物，所述热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。
在所述S3步骤中，将S2步骤得到的氧化石墨烯/MXene固化成膜的柔性基底置于激光雕刻机下，通过激光直写技术将预设的电极图案雕刻至氧化石墨烯/MXene柔性复合薄膜上，获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极。在所述S3步骤中，利用激光直写技术，将氧化石墨烯/MXene复合薄膜制成平面型图案化电极，包括叉指型、同心圆型、方型、回旋型。
在所述S4步骤中，将聚乙烯醇和浓硫酸形成的PVA/H2SO4凝胶电解质均匀涂覆在在图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元。
在所述S5步骤中，将所述S3步骤中通过激光直写技术制备得到的条形状激光还原石墨烯/MXene复合薄膜与图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极均匀接触，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器传感单元。在本技术方案中，还原氧化石墨烯为激光还原石墨烯。
本技术方案制备了不同类型但结构相通的多器件集成的多功能系统，以激光还原石墨烯/MXene复合材料同时作为柔性储能器件和传感器件的功能材料，将两类器件集成于同一种基底上。
所述激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器集成单元具有优异的电容行为。所述激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器集成单元具有出色的高灵敏度压阻性能。所述激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统贴于表皮皮肤上，可以实现检测人体运动和监测健康状况等功能。
图2是本发明中激光还原石墨烯/MXene薄膜电极的SEM图，从图2中可以看出，激光还原石墨烯/MXene呈现出片型层状结构，表面的褶皱形态趋于平坦。
图3是本发明制备的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统在0-1.0V电压窗口区间分别在5、10、30、50、80和100mV s-1不同扫描速率下测得的CV曲线图，图3中横坐标为电压，纵坐标为电流。从图3中可以看出，在较低的扫描速率下，其CV曲线最接近矩形，具有较好的对称性，具有～6.08mF cm-2的面积比电容。在较快的扫描速率下，CV曲线也没有显著变形，矩形状CV曲线表明，激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元具有理想的电容性能。
图4是本发明制备的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的恒电流充电傲电测试曲线，图4中横坐标为时间，纵坐标为电压。从图4中可以看出，恒电流充电/放电曲线接近于对称的三角形，充电和放电曲线是相对准对称的，表明激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元具有充放电可逆、转化效率高的优点。
图5是本发明制备的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统所测得的手指弯曲响应图，图5中横坐标为时间，纵坐标为电阻。从图5中可以看出，当手指弯曲导致激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统发生形变时，其传感单元的电阻增大，激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统恢复原状时，电阻也恢复到初始值，表明激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的柔性应力传感器传感单元具有很好的耐用性，以及很高的灵敏度。
图6是本发明制备的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统所测得的表情变化响应图，图6中横坐标为时间，纵坐标为电阻。从图6中可以看出，当贴在面颊的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统由于微笑发生形变时，其传感单元的电阻增大，激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统恢复原状时，电阻也恢复到初始值，表明激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的柔性应力传感器传感单元的灵敏度高、耐用性好。
图7是本发明制备的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统所测得的灵敏度曲线图，图7中横坐标为压力，纵坐标为归一化电阻。从图7中可以看出，其中第一段曲线表示激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统骤然收到压力时，归一化电阻随压力的增加而骤增，其作为压阻传感器时展现出很高的灵敏度，此时的灵敏度为0.81每千帕；第二段曲线表示此时激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器的归一化电阻随压力的增加而缓慢增大，此时的灵敏度为0.1每千帕；第三段曲线表示压力超过一定数值千帕，激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器的归一化电阻趋于饱和。
本发明制备的激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的制作过程简便、安全，目具有可靠的电化学性能，同时还具有出色的高灵敏度压阻性能，适合在产业上推广使用。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：
该制备方法包括以下步骤：
S1：制备氧化石墨烯/MXene混合溶液；
S2：将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜；
S3：将S2步骤得到的高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜通过激光直写技术获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极；
S4：将凝胶电解质均匀涂覆在S3步骤得到的图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元；
S5：将所述S3步骤中通过激光直写技术制备得到的条形状激光还原石墨烯/MXene复合薄膜与图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极均匀接触，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器传感单元；
S6：将两种不同功能的超级电容器储能单元与压阻传感器传感单元通过导线连接起来，最终形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：在所述S1步骤中，分别取2mg mL-1的氧化石墨烯溶液与5mgmL-1的MXene溶液进行混合，氧化石墨烯溶液与MXene溶液的质量比为20∶1，并将氧化石墨烯/MXene混合溶液超声30分钟。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：在所述S2步骤中，将S1步骤制备得到的氧化石墨烯/MXene混合溶液均匀涂覆在柔性基底上，待氧化石墨烯/MXene混合溶液自然风干成膜，得到高密度的柔性氧化石墨烯/MXene复合薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：所述柔性基底为热塑性高分子聚合物，所述热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：在所述S3步骤中，将S2步骤得到的氧化石墨烯/MXene固化成膜的柔性基底置于激光雕刻机下，通过激光直写技术将预设的电极图案雕刻至氧化石墨烯/MXene柔性复合薄膜上，获得图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：
在所述S3步骤中，利用激光直写技术，将氧化石墨烯/MXene复合薄膜制成平面型图案化电极，包括叉指型、同心圆型、方型、回旋型。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：在所述S4步骤中，将聚乙烯醇和浓硫酸形成的PVA/H2SO4凝胶电解质均匀涂覆在在图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的超级电容器储能单元。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光还原石墨烯/MXene复合材料的自供能电子皮肤系统的制备方法，其特征在于：在所述S5步骤中，将所述S3步骤中通过激光直写技术制备得到的条形状激光还原石墨烯/MXene复合薄膜与图案化激光还原石墨烯/MXene复合电极均匀接触，封装形成激光还原石墨烯/MXene自供能电子皮肤系统的压阻传感器传感单元。
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