CN114736524A - 一种细菌纤维素/zif-7导电凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细菌纤维素/ZIF‑7导电凝胶的制备方法，该方法包括将甲酸钠HCOONa和苯并咪唑H‑BIM溶于N‑N二甲基甲酰胺DMF中，得到A液；六水合硝酸锌溶于去离子水中，得到B液，在磁力搅拌器上将B液缓缓倒入A液中，充分搅拌得到混合液；将细菌纤维素和混合液同时加入到高压反应釜中，移入烘箱加热，降至室温后将其从烘箱中取出；打开反应釜，将产物清洗多次，得到细菌纤维素/ZIF‑7导电凝胶。本发明采用溶剂热法制备细菌纤维素/ZIF‑7导电凝胶，过程简单易操作，制备得到的细菌纤维素/ZIF‑7导电凝胶具有优异的力学性能和导电性能。
Description
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及本发明提供一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法。
背景技术
近年来，随着电子科技的不断进步，柔性导电材料，例如可折叠显示器、植入式医疗设备、触控面板、可穿戴储能设备及不同种类的传感设备在信息、能源、医疗及国防等领域显现出了巨大的发展潜力。与传统的刚性和易碎电子设备相比，未来的电子设备需要多种功能，包括轻便、便携、生物相容性和可穿戴性以及出色的机械稳定性。当前的柔性电子器件以无机/有机化合物基材料为主，例如金属纳米粒子/纳米线、金属氧化物、碳材料或导电聚合物，它们被涂敷在电化学非活性弹性基板上。尽管过去几十年取得了重大进展，但它们的高成本、非生物相容性和固有的脆弱机械性能限制了这些材料的广泛使用。近年来，本征柔性导电材料引起了众多研究人员的关注。然而，目前同时实现优异的机械性和电子性能仍然是柔性导电材料发展的最大障碍。
细菌纤维素是近年来比较热门的研究材料，它的高拉伸强度、超细纳米网络结构、生物相容性、高孔隙率、亲水性和优异的柔韧性等特点，使它成为一种非常流行的基质，由于细菌纤维素本身不导电，可通过掺入导电填料(包括金属离子和氧化物、碳纳米管、石墨烯和纳米颗粒或纳米线形式的导电聚合物)转化为导电复合材料，这些导电材料可以通过原位合成、掺杂、共混或涂层引入到细菌纤维素基体中。现阶段，细菌纤维素基柔性导电材料仍存在电导率低的问题，需要通过使用纳米级材料提高其比表面积可改善这一问题。
专利202010839914.2报道了一种具有核壳结构的ZIF-8@细菌纤维素宏观三维复合膜的制备方法，需要将ZIF-8@BC产物经后期退火处理，来赋予细菌纤维素导电性，用来连接ZIF-8构成通路导电。
发明内容
本发明提供了一种具有良好力学性能、生物相容性及高导电性的细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，所述方法具有操作简单、成本低的优点。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将甲酸钠HCOONa和苯并咪唑H-BIM依次溶于N-N二甲基甲酰胺DMF中，得到A液；
将六水合硝酸锌Zn(NO)3.6H2O溶于去离子水中，得到B液；
在磁力搅拌器上将B液缓缓倒入A液中，充分搅拌得到混合液；
(2)将凝胶状细菌纤维素和步骤一所得的混合液按比例同时加入到高压反应釜中，移入烘箱加热，降至室温后将其从烘箱中取出；将产物清洗多次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
步骤(1)中，
A液中，甲酸钠的浓度为0.02～3mol/L，苯并咪唑的浓度为0.01～5mol/L；
B液中，Zn(NO)3.6H2O的浓度为0.05～5mol/L；
A液：B液按体积比计为1：1～1：15；
步骤(2)中，
细菌纤维素和步骤一所得的混合液的比例为0.5～10mg：20～100mL；
烘箱在100℃～130℃加热3～12h。
所述清洗为用DMF和甲醇分别清洗3次。
将本发明制备的细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶用于制备柔性导电材料的用途。
本发明的有益效果为：
(1)细菌纤维素(BC)作为一种三维网状结构的水凝胶，具有较强的保水性、生物相容性和柔韧性。它的三维网状结构可使纳米粒子均匀分散并防止其团聚，还为反应(尤其是水溶液中的反应)中的传质过程提供通道，提高电子转移速率。通过改变混合溶剂中DMF和去离子水的比例来调控ZIF-7的形貌，得到具有较高的孔隙率，大的比表面积的ZIF-7导电填料，将其在细菌纤维素表面聚合形成连续的导电通路，在一定程度上提高了复合材料的导电性。
(2)本发明制备方法简单，细菌纤维素无需做碳化或破碎处理，原料成本低。采用了溶剂热法，原位合成一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶，该材料性能较好且稳定。
附图说明
图1为凝胶的扫描电镜图；
图2为实施例2中的导电凝胶的扫描电镜图；
图3为实施例2中的凝胶和导电凝胶的交流阻抗；
图4为实施例2中的凝胶和导电凝胶的CV曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
实施例1
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将0.35g甲酸钠、0.355g苯并咪唑溶于33.2g DMF中，得到A液；0.765g六水合硝酸锌溶于5g去离子水中，得到B液。将B液缓缓倒入A液中，于磁力搅拌器上充分搅拌10min得到混合液。
步骤二：将2mg细菌纤维素和30mL混合液同时加入到40mL高压反应釜中，移入烘箱中110℃加热4h，降至室温后将其从烘箱中取出。步骤二中的细菌纤维素体积为0.005～5cm3；
步骤三：打开反应釜，用DMF和甲醇分别清洗产物3次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
实施例2
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将0.35g甲酸钠、0.355g苯并咪唑溶于28.5g DMF中，得到A液；0.765g六水合硝酸锌溶于10g去离子水中，得到B液。将B液缓缓倒入A液中，于磁力搅拌器上充分搅拌10min得到混合液。
步骤二：将2.5mg细菌纤维素和30mL混合液同时加入到高压反应釜中，移入烘箱中120℃加热3h，降至室温后将其从烘箱中取出。步骤二中的细菌纤维素体积为0.005～5cm3；
步骤三：打开反应釜，用DMF和甲醇分别清洗产物3次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
由图1可以看出，细菌纤维素表面光滑，纤维之间相互缠绕呈三维网状结构，为ZIF-7的负载提供了较大的比表面积；
图2为细菌纤维素/ZIF-7的扫描电镜图，从图中可以看出，合成ZIF-7不仅具有较大的比表面积，还成功的生长在细菌纤维素上，均匀且致密。
图3采用电化学阻抗谱来表征凝胶及导电凝胶。可以看到导电凝胶的阻值小于凝胶，这表明导电材料的加入有利于电子转移，增强凝胶的导电性。
图4采用循环伏安法分析了凝胶及导电凝胶电极的电子转移过程。二者均显示出明确的氧化还原峰，导电凝胶的峰值电流相比于凝胶有了显著的提高，这主要归因于其高导电性和大比表面积。
实施例3
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将0.35g甲酸钠、0.355g苯并咪唑溶于23.7g DMF中，得到A液；0.765g六水合硝酸锌溶于15g去离子水中，得到B液。将B液缓缓倒入A液中，于磁力搅拌器上充分搅拌10min得到混合液。。
步骤二：将3mg细菌纤维素和30mL混合液同时加入到高压反应釜中，移入烘箱中130℃加热3h，降至室温后将其从烘箱中取出。步骤二中的细菌纤维素体积为0.005～5cm3；
步骤三：打开反应釜，用DMF和甲醇分别清洗产物3次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
实施例4
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将0.35g甲酸钠、0.355g苯并咪唑溶于19g DMF中，得到A液；0.765g六水合硝酸锌溶于20g去离子水中，得到B液。将B液缓缓倒入A液中，于磁力搅拌器上充分搅拌10min得到混合液。
步骤二：将3.5mg细菌纤维素和30mL混合液同时加入到高压反应釜中，移入烘箱中100℃加热6h，降至室温后将其从烘箱中取出。步骤二中的细菌纤维素体积为0.005～5cm3；步骤三：打开反应釜，用DMF和甲醇分别清洗产物3次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
实施例5
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将0.35g甲酸钠、0.355g苯并咪唑溶于14.2g DMF中，得到A液；0.765g六水合硝酸锌溶于27g去离子水中，得到B液。将B液缓缓倒入A液中，于磁力搅拌器上充分搅拌10min得到混合液。
步骤二：利用木醋杆菌发酵得到细菌纤维素，将4mg细菌纤维素和30mL混合液同时加入到高压反应釜中，移入烘箱中100℃加热8h，降至室温后将其从烘箱中取出。步骤二中的细菌纤维素体积为0.005～5cm3；
步骤三：打开反应釜，用DMF和甲醇分别清洗产物3次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
实施例6
一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将0.35g甲酸钠、0.355g苯并咪唑溶于15g DMF中，得到A液；0.765g六水合硝酸锌溶于30g去离子水中，得到B液。将B液缓缓倒入A液中，于磁力搅拌器上充分搅拌10min得到混合液。
步骤二：将4.5mg细菌纤维素和30mL混合液同时加入到高压反应釜中，移入烘箱中100℃加热12h，降至室温后将其从烘箱中取出。步骤二中的细菌纤维素体积为0.005～5cm3；
步骤三：打开反应釜，用DMF和甲醇分别清洗3次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
Claims (7)
1.一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将甲酸钠HCOONa和苯并咪唑H-BIM依次溶于N-N二甲基甲酰胺DMF中，得到A液；
将六水合硝酸锌Zn(NO)3.6H2O溶于去离子水中，得到B液；
在磁力搅拌器上将B液缓缓倒入A液中，充分搅拌得到混合液；
(2)将凝胶状细菌纤维素和步骤一所得的混合液按比例同时加入到高压反应釜中，移入烘箱加热，降至室温后将其从烘箱中取出；将产物清洗多次，得到细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶。
2.如权利要求1所述的一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，
A液中，甲酸钠的浓度为0.02～3mol/L，苯并咪唑的浓度为0.01～5mol/L；
B液中，Zn(NO)3.6H2O的浓度为0.05～5mol/L。
3.如权利要求1所述的一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，A液：B液按体积比计为1：1～1：15。
4.如权利要求1所述的一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，细菌纤维素和步骤一所得的混合液的比例为0.5～10mg：20～100mL。
5.如权利要求1所述的一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，烘箱中加热的温度为100℃～130℃，加热时间为3～12h；所述清洗为用DMF和甲醇分别清洗3次。
6.一种细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶，是通过权利要求1～5任一项所述的方法制备的。
7.将权利要求6所述的细菌纤维素/ZIF-7导电凝胶用于制备柔性导电材料的用途。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103474696A (zh) * | 2013-08-27 | 2013-12-25 | 中南大学 | 一种有机-无机杂化聚合物固体电解质材料及其应用 |
| CN104733700A (zh) * | 2015-02-04 | 2015-06-24 | 中南大学 | 一种锂硒电池柔性正极的制备方法 |
| CN112391700A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-02-23 | 河北工业大学 | 用于锂硫电池的mof修饰的纤维素材料中间层及制备方法 |
| CN112973456A (zh) * | 2019-12-14 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 二维金属有机骨架纳米片膜、其制备方法及应用 |
| AU2021105577A4 (en) * | 2021-08-16 | 2021-10-21 | Qingdao University Of Science And Technology | Nanofiber /MOFs-based Preferential Alcohol Permeation Pervaporation membrane and Preparation Method thereof |
-
2022
- 2022-04-13 CN CN202210386348.3A patent/CN114736524A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103474696A (zh) * | 2013-08-27 | 2013-12-25 | 中南大学 | 一种有机-无机杂化聚合物固体电解质材料及其应用 |
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| QIUMEI HUANG等: ""Enhanced electrolyte retention capability of separator for lithium-ion battery constructed by decorating ZIF-67 on bacterial cellulose nanofiber"" * |
| XIUXUAN SUN等: ""Zeolitic imidazolate framework-cellulose nanofiber hybrid membrane as Li-Ion battery separator: Basic membrane property and battery performance"" * |
| 孙左一等: "《植物纤维化学 第5版》", 中国轻工业出版社 * |
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