多孔導(dǎo)電凝膠PAM/CNTs-PEG在鋅-空氣電池中的應(yīng)用

李培枝,楊海潮,程曉亮,陳志剛,張康,王晨*

（1.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710016；2.陜西科技大學(xué) 功能助劑產(chǎn)業(yè)化研究院，教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021）

導(dǎo)電水凝膠作為一種柔軟濕潤(rùn)的材料，因特有的導(dǎo)電性、柔韌性和良好的生物相容性，在傳感器[1-2]、超級(jí)電容器[3-4]等相關(guān)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。鋅空氣電池屬于金屬空氣電池，具有理論能量密度高(1 086 W·h/kg)、安全性好、成本低及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，可直接在空氣氛圍下使用，比鋰空氣電池更接近實(shí)際應(yīng)用[7-8]。

鋅-空氣電池要實(shí)行工業(yè)化生產(chǎn)，其核心部分是空氣擴(kuò)散電極[9-10]，如果優(yōu)化其性能，就有望使其有利于氣體的擴(kuò)散，并形成更多的三相界面，更有利于電極的電化學(xué)反應(yīng)。而導(dǎo)電水凝膠是由導(dǎo)電材料和交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)組成，聚合物網(wǎng)絡(luò)提供支架，而導(dǎo)電材料賦予水凝膠良好的導(dǎo)電性[11-12]。多孔的結(jié)構(gòu)[13-14]可以給氣體更多的擴(kuò)散通路，也有利于催化層的負(fù)載，形成更多的三相界面。

采用聚丙烯酰胺基水凝膠，以聚乙二醇-2000為制孔劑，采用原位聚合法制備出多孔聚丙烯酰胺/碳納米管-聚乙二醇(PAM/CNTs-PEG)導(dǎo)電凝膠，并研究其在鋅空電池中的應(yīng)用。羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)為黏結(jié)劑，將聚丙烯酰胺(PAM)和碳納米管(CNTs)黏連。聚乙二醇可溶于乙醇，將制備的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠浸泡于乙醇溶液中，可形成不同數(shù)量的介孔。本文研究了不同浸泡時(shí)間對(duì)于多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠在柔性鋅空電池中的性能影響。再選取最佳浸泡時(shí)間所制備的導(dǎo)電水凝膠，對(duì)其進(jìn)行柔性傳感測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

丙烯酰胺(AM)，上海麥克林生化科技有限公司；羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；碳納米管(CNTs)，江蘇先豐納米材料科技有限公司；聚乙二醇-2000 (PEG2000)、交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，天津市大茂化學(xué)試劑廠；催化劑四甲基乙二胺(TEMED)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；引發(fā)劑過(guò)硫酸銨(APS)，廣東光華科技股份有限公司。

1.2 PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠的制備

分別稱取25wt%AM、0.5wt%CNTs、0.5wt%的黏結(jié)劑CMC-Na、1wt%的制孔劑PEG2000置于250 mL三頸燒瓶中，再加入一定量的去離子水，攪拌30 min后，得到PAM/CNTs-PEG混合溶液。再加入0.01wt%交聯(lián)劑MBA、0.01wt%引發(fā)劑APS、0.1wt%催化劑TEMED，攪拌20 min倒入直徑為14 mm的模具放入60℃烘箱后得到PAM/CNTs-PEG水凝膠，如圖1所示。

圖1 聚丙烯酰胺/碳納米管-聚乙二醇(PAM/CNTs-PEG)導(dǎo)電凝膠的制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the preparation of polyacrylamide/carbon nanotubes-polyethylene glycol (PAM/CNTs-PEG) conductive gel

1.3 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠的制備

將制備得到的PAM/CNTs-PEG水凝膠樣品分別浸泡于乙醇溶液1、2、5和10 h。得到了一系列不同的浸泡時(shí)間的多孔PAM/CNTs-PEG水凝膠。

1.4 測(cè)試

1.4.1 表征測(cè)試

采用日本HITACHI公司的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不加制孔劑與加入制孔劑之后浸泡乙醇不同時(shí)間的樣品微觀形貌。采用INVENIO型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR，德國(guó)Bruker公司)測(cè)定不同浸泡時(shí)間下的紅外圖譜。

1.4.2 孔隙率測(cè)試

采用全自動(dòng)比表面及孔隙度分析儀(BET，美國(guó)Micromeritics ASAP 2460)分析未加制孔劑與加入制孔劑后浸泡乙醇不同時(shí)間的樣品。并根據(jù)下式計(jì)算水凝膠的孔隙率：

其中：φ為試樣的孔隙率；VP為試樣的孔容(mL/g)；m為試樣的質(zhì)量(g)；ρtrue為試樣的真實(shí)密度。

1.4.3 溶脹測(cè)試

采用平衡溶脹法對(duì)PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行溶脹率測(cè)試，進(jìn)一步分析凝膠的交聯(lián)程度。室溫下將所有比例的水凝膠樣品分開放置在裝有去離子水的培養(yǎng)皿中，隔一定時(shí)間稱一次質(zhì)量，直到溶脹平衡，重復(fù)3次測(cè)試，并根據(jù)下式計(jì)算水凝膠的溶脹率。

其中：SR為試樣的溶脹率；Wt為試樣吸水溶脹后的質(zhì)量(g)；W0為試樣的初始質(zhì)量(g)。

1.4.4 力學(xué)性能測(cè)試

采用伺服材料多功能高低溫控制試驗(yàn)機(jī)(高特威爾(東莞)有限公司，規(guī)格AI-7000-NGD)，拉伸測(cè)試以20 mm/min的速度進(jìn)行(導(dǎo)電凝膠裁成40 mm×10 mm的矩形，標(biāo)距長(zhǎng)度為20 mm)。

1.4.5 電化學(xué)性能測(cè)試

(1) 采用Land-CT2001 A測(cè)試系統(tǒng)以1、2、3、5、3、2、1 mA/cm2對(duì)電池進(jìn)行倍率性能測(cè)試。

(2) 采用Land-CT2001A測(cè)試系統(tǒng)(武漢勝藍(lán)電子科技有限公司)對(duì)電池進(jìn)行恒流放電測(cè)試(以電流密度為2 mA/cm2進(jìn)行，時(shí)間間隔20 min)。并根據(jù)下式計(jì)算鋅-空氣電池的鋅重量比容量：

其中：Cm為克容量(mA·h/g)；Id為放電電流2 mA/cm2；T為放電時(shí)間(h)；WZinc為鋅片的消耗質(zhì)量(g)。

(3) 采用上海辰華CHI660 E電化學(xué)工作站測(cè)試電化學(xué)交流阻抗譜(EIS)，測(cè)試頻率范圍100 kHz～10 mHz，交流電位振幅為10 mV，掃描速度為5 mV/s。

(4) 采用CHI660E電化學(xué)工作站測(cè)試電池的極化曲線(LSV，在氧氣條件下測(cè)得，掃描速度為5 mV/s)。

1.4.6 傳感測(cè)試

選用最優(yōu)條件的多孔導(dǎo)電凝膠PAM/CNTs-PEG，利用CHI660E電化學(xué)工作站進(jìn)行傳感測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的結(jié)構(gòu)性能

用SEM對(duì)加入制孔劑前后的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。圖2是未加制孔劑及加入制孔劑后不同乙醇浸泡時(shí)間制得的導(dǎo)電凝膠的SEM圖像。圖2(a)顯示的是沒(méi)有添加制孔劑導(dǎo)電凝膠的SEM圖像。將凝膠冷凍干燥后，凝膠結(jié)構(gòu)會(huì)因干燥而結(jié)構(gòu)收縮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)，沒(méi)有孔洞結(jié)構(gòu)。而圖2(b)為加入制孔劑后浸泡乙醇1 h后的導(dǎo)電凝膠的SEM圖像，可以看出加入了制孔劑，PAM的網(wǎng)絡(luò)依舊穩(wěn)定，但是在樣品表面清晰可見少量孔洞結(jié)構(gòu)，制孔劑脫落并不多，僅制得少量孔洞。圖2(c)為加入制孔劑后浸泡乙醇2 h后的導(dǎo)電凝膠的SEM圖像，對(duì)比圖2(b)與圖2(c)可以清晰看出乙醇浸泡2 h制得的孔洞更多，而圖2(e)可以看出孔洞數(shù)量密集，孔壁較薄。對(duì)比這5個(gè)SEM圖像，可以充分證明PEG制孔劑隨著乙醇浸泡時(shí)間的增加，PEG被慢慢置換出來(lái)，形成更多的孔洞，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，脫落的越多，孔洞越多。

圖2 未加制孔劑(a)、乙醇浸泡1 h (b)、乙醇浸泡2 h (c)、乙醇浸泡5 h (d)及乙醇浸泡10 h (e)后制得的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠的SEM圖像Fig.2 SEM images of PAM/CNT-PEG conductive gel prepared after no pore-making agent (a),1 h ethanol immersion (b),2 h ethanol immersion(c),5 h ethanol immersion (d) and 10 h ethanol immersion (e)

這些高孔隙為氧氣的遷移與運(yùn)輸提供更多的擴(kuò)散通路，也有利于催化層的負(fù)載，形成更多的三相界面。

2.2 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的紅外性能

由圖3可知，1 107 cm-1處和1 397 cm-1處的特征吸收峰是由PEG中的亞甲基(-CH2-)和C-O鍵的拉伸振動(dòng)引起的[15]?？梢钥闯銎鋪喖谆?-CH2-)和C-O鍵的拉伸振動(dòng)引起峰隨著浸泡時(shí)間的增加而越來(lái)越小，這說(shuō)明乙醇浸泡時(shí)間的增加，制孔劑隨之脫落的越多[16]，當(dāng)浸泡乙醇10 h時(shí)，PEG的峰最小。這充分證明PEG制孔劑隨著乙醇浸泡時(shí)間的增加，PEG被慢慢置換出來(lái)，形成更多的孔洞，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，脫落的越多，孔洞越多。

圖3 加入制孔劑后不同乙醇浸泡時(shí)間下的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的 FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of PAM/CNT-PEG conductive hydrogels at different ethanol soaking time after adding pore-making agent

2.3 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的溶脹性能

水凝膠是一種特殊的聚合物，不僅僅可以在水中溶脹，還能夠吸收水分，但是不會(huì)溶解在水中，在達(dá)到溶脹平衡的情況下，水凝膠依然能保持其現(xiàn)有的形狀，因此也稱之為含水水凝膠[17]。

東莞石排產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，面臨著眾多的困境，限制了東莞石排產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，落后的企業(yè)產(chǎn)能，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展環(huán)境下，生產(chǎn)成本不斷提升的情況下，眾多行業(yè)呈現(xiàn)了競(jìng)爭(zhēng)同質(zhì)化的問(wèn)題，導(dǎo)致眾多品牌企業(yè)的核心技術(shù)處于同水平的狀態(tài)，是阻礙東莞石排產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重大問(wèn)題。此外核心企業(yè)的外遷會(huì)導(dǎo)致遷入地發(fā)展鎖定，與承接地區(qū)處于價(jià)值鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的地段，拉大輸出地與承接地技術(shù)差距的威脅，使得地區(qū)發(fā)展陷入鎖定的風(fēng)險(xiǎn)。甚至因?yàn)橥顿Y政策、生產(chǎn)成本等因素，造成核心企業(yè)的污染再一次轉(zhuǎn)移，使得遷出地區(qū)的產(chǎn)業(yè)空心化。

因此探究了不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的溶脹情況，如圖4所示，所有導(dǎo)電水凝膠的溶脹率都隨著溶脹時(shí)間的變化先是增大最后達(dá)到平衡溶脹狀態(tài)，但不同介孔數(shù)量的導(dǎo)電凝膠其吸水溶脹率不同。未加制孔劑的導(dǎo)電凝膠僅為419.07%，乙醇浸泡10 h的導(dǎo)電凝膠在24 h的溶脹率高達(dá)826.36%，且曲線仍然處于上升階段，只是上升趨勢(shì)減緩但并未停止。這是由于未加制孔劑的導(dǎo)電凝膠的少孔結(jié)構(gòu)影響和阻礙了水分子滲透到凝膠內(nèi)部，而加入制孔劑的導(dǎo)電凝膠的多孔結(jié)構(gòu)則促進(jìn)了水分子的滲透，且多孔結(jié)構(gòu)為水分子提供了更多儲(chǔ)存空間，因此多孔導(dǎo)電凝膠的溶脹度得到了極大的提高[18]。因此溶脹曲線證明了將PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠浸泡于乙醇溶液中，隨著浸泡時(shí)間的增加，介孔數(shù)量越多，其溶脹吸水性越好。

圖4 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的溶脹曲線Fig.4 Swelling curves of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG or with PEG for different ethanol immersion time

2.4 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的孔隙性能

分別對(duì)這5種導(dǎo)電凝膠采用全自動(dòng)比表面及孔隙度分析儀(BET)進(jìn)行分析。孔隙特征可結(jié)合掃描電鏡儀器分析，可以清晰看出隨著制孔劑的加入，浸泡乙醇時(shí)間的增加，孔隙率逐漸增加。未加制孔劑的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠僅有3.96%的孔隙率，相比于1 h (6.50%)、2 h (27.35%)及5 h (65.71%)，加入制孔劑之后乙醇浸泡10 h時(shí)有最高的孔隙率95.89%，具體如表1所示。然而，孔隙率過(guò)大可能導(dǎo)致電極“水淹”導(dǎo)致氧氣供應(yīng)不足，影響反應(yīng)效率和電池壽命。

表1 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的孔隙率Table 1 Porosity of PAM/CNTs-PEG conducting hydrogels without PEG and with PEG in different ethanol soaking time

2.5 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的力學(xué)性能

由圖5可以清楚看出導(dǎo)電水凝膠浸泡于乙醇5 h后，其應(yīng)變性能最好。當(dāng)浸泡乙醇5 h時(shí)，導(dǎo)電水凝膠的斷裂應(yīng)力達(dá)到最大值(160 kPa)，而伸長(zhǎng)可達(dá)到255.6%；可以拉伸超過(guò)2倍未浸泡乙醇的導(dǎo)電水凝膠的長(zhǎng)度(斷裂應(yīng)力為12 kPa，伸長(zhǎng)量為112.3%)[19]。浸泡乙醇1 h的導(dǎo)電水凝膠的伸長(zhǎng)量最大為396%，但其斷裂應(yīng)力沒(méi)有乙醇浸泡5 h的樣品好，僅為56 kPa。PEG作為制孔劑，均勻地分布在水凝膠的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)浸泡乙醇時(shí)間過(guò)短時(shí)，制孔劑脫落較少，水凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)因黏結(jié)劑的存在而存在分子鏈相對(duì)固定，不易運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為力學(xué)性能差[20]。隨著浸泡時(shí)間的增加，制孔劑隨之脫落，凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加之制孔劑形成的孔洞結(jié)構(gòu)，因此宏觀上表現(xiàn)出一定的力學(xué)強(qiáng)度和韌性，但是浸泡時(shí)間越久，制得的孔洞越多，其結(jié)構(gòu)越松散，反而力學(xué)性能變差。

圖5 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG or with PEG for different ethanol immersion time

因此在導(dǎo)電水凝膠浸泡于乙醇5 h時(shí)，其力學(xué)性能最好，能更好地應(yīng)用于柔性傳感等領(lǐng)域[21]。

2.6 多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的電化學(xué)性能

2.6.1 倍率性能測(cè)試

分別對(duì)這5種導(dǎo)電凝膠組裝成的鋅-空氣電池在不同電流密度下測(cè)試其倍率性能，如圖6所示?？梢钥闯?，乙醇浸泡5 h時(shí)的導(dǎo)電凝膠的電壓最高也最穩(wěn)定，從1 mA/cm2時(shí)的1.23 V到5 mA/cm2時(shí)的1.11 V，共降低了0.12 V，而從初始的放電電流1 mA/cm2逐漸增加到5 mA/cm2，然后又回到1 mA/cm2，放電電壓幾乎恢復(fù)到初始值，證明了其優(yōu)異的電池倍率性能[22]。未加PEG制孔劑的導(dǎo)電凝膠電壓比其他4個(gè)樣品的電壓都低，在5 mA/cm2電流密度下放電電壓僅為0.64 V，這證明多孔結(jié)構(gòu)確實(shí)有利于氧氣的進(jìn)入，從而提高電池的電化學(xué)性能。當(dāng)浸泡乙醇時(shí)間逐漸增加時(shí)，其電池的放電性能也在逐漸增加，在浸泡5 h時(shí)性能最優(yōu)，但當(dāng)其浸泡10 h時(shí)，制孔劑脫落的過(guò)多時(shí)，其導(dǎo)電凝膠結(jié)構(gòu)過(guò)于疏松，電解液將會(huì)淹沒(méi)電極，從圖中能看出電壓下降過(guò)多，從1 mA/cm2時(shí)的1.15 V到5 mA/cm2時(shí)的0.72 V，共降低了0.43 V。

圖6 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的倍率性能Fig.6 Rate performance of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG or with PEG for different ethanol immersion time

2.6.2 極化性能測(cè)試

圖7為5種導(dǎo)電凝膠分別組裝成鋅-空氣(ZAB)測(cè)得的極化曲線。圖8是根據(jù)圖7的極化曲線得出的最大功率密度曲線。從圖7可以看出浸泡乙醇5 h的導(dǎo)電凝膠的充放電性能最好。由圖8可以看出浸泡乙醇5 h的導(dǎo)電凝膠在128.50 mA/cm2時(shí)產(chǎn)生最大的峰值功率密度77.35 mW/cm2。均遠(yuǎn)高于其他導(dǎo)電凝膠，擁有最好的充放電性能。在未加入制孔劑及浸泡乙醇1、2、10 h后測(cè)試得到的最大功率分別為0.62、2.95、16.75、29.63 mW/cm2。這巨大差距還是源于其結(jié)構(gòu)的變化，大量且密集的微孔結(jié)構(gòu)能夠有利于催化層的負(fù)載，且提高氧氣的利用率，證明乙醇浸泡5 h時(shí)，更利于氧氣的進(jìn)入及在空氣陰極上的傳質(zhì)，讓其電化學(xué)性能更優(yōu)異。

圖7 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的極化曲線Fig.7 Polarization curves of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG and with PEG in different ethanol soaking time

圖8 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的最大功率密度曲線Fig.8 Maximum power density curves of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG or with PEG for different ethanol immersion time

以2 mA/cm2的電流密度分別對(duì)浸泡乙醇不同時(shí)間的導(dǎo)電水凝膠組裝成的鋅-空氣(ZAB)進(jìn)行恒流放電測(cè)試。如圖9所示，在浸泡時(shí)間為5 h時(shí)的導(dǎo)電水凝膠組裝的電池具有比其他浸泡時(shí)間更高的穩(wěn)定放電電壓，且具有1 104.85 mA·h/g的高克容量，相對(duì)于未加(590.90 mA·h/g)、乙醇浸泡1 h (778.80 mA·h/g)、乙醇浸泡2 h (709.28 mA·h/g)及乙醇浸泡10 h (811.54 mA·h/g)。當(dāng)浸泡時(shí)間越短，制備的孔洞越少，氧氣的進(jìn)入越艱難或越緩慢，其電化學(xué)性能更差[23]。由圖可知未加PEG制孔劑的導(dǎo)電凝膠其放電電壓不僅低而且放電不穩(wěn)定，其克容量也低(590.90 mA·h/g)，當(dāng)隨著浸泡時(shí)間的不斷增加，導(dǎo)電凝膠孔洞數(shù)量也隨之增加，促進(jìn)了氧的擴(kuò)散，在空氣陰極中建立豐富的三相界面并加速傳質(zhì)，因此其放電電壓變高，放電更穩(wěn)定。但當(dāng)浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，如浸泡10 h，孔洞過(guò)多時(shí)，電解液隨著過(guò)多的孔洞進(jìn)入導(dǎo)電凝膠中，淹沒(méi)電極，其電化學(xué)性能反而變差。

圖9 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的放電曲線Fig.9 Discharge curves of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG and with PEG added for different ethanol soaking time

2.6.4 交流阻抗性能測(cè)試

圖10為5種導(dǎo)電凝膠分別組裝成ZAB測(cè)得的放電前的交流阻抗圖譜。其斜率主要反映電極材料電容器的好壞。中頻區(qū)與x軸成45°角的直線是Warburg阻抗，主要是由于傳質(zhì)和擴(kuò)散引起的[24]。高頻區(qū)曲線與x軸的交點(diǎn)為電容器的接觸電阻Rb，其主要由電解質(zhì)的電導(dǎo)率、電極材料的內(nèi)阻和接觸電阻決定。由插圖可以看出乙醇浸泡5 h的Rb最小僅為4.02 Ω，其他的未加PEG及浸泡1、2和10 h的Rb值分別為9.94、21.93、14.19、14.28 Ω。由圖明顯可以看出Warburg 阻抗的大小順序?yàn)? h＜10 h＜2 h＜1 h＜未加PEG。這證明PEG制孔劑對(duì)電池性能的影響巨大，且在浸泡乙醇5 h時(shí)，導(dǎo)電凝膠的電化學(xué)性能最優(yōu)異。

圖10 未加PEG及加入PEG不同乙醇浸泡時(shí)間的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的交流阻抗圖譜Fig.10 EIS impedance profiles of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogels without PEG or with PEG for different ethanol immersion time

2.7 傳感性能測(cè)試

圖11為選取最優(yōu)條件的多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠，將其進(jìn)行柔性傳感測(cè)試。碳納米管的加入使水凝膠具有良好的導(dǎo)電性，用200 g的砝碼對(duì)浸泡乙醇5 h的多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠按壓，得到了該圖，證明了該導(dǎo)電水凝膠有較好的導(dǎo)電性和較高的應(yīng)變靈敏度，可以滿足監(jiān)測(cè)人體日常運(yùn)動(dòng)的需要[25]。

圖11 加入PEG乙醇浸泡5 h的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電水凝膠的傳感圖Fig.11 Sensing diagram of PAM/CNTs-PEG conductive hydrogel immersed in ethanol for 5 h with PEG

3 結(jié) 論

本文采用聚丙烯酰胺基水凝膠，以聚乙二醇-2000 (PEG2000)為制孔劑，采用原位聚合法制備了多孔聚丙烯酰胺/碳納米管-聚乙二醇(PAM/CNTs-PEG)導(dǎo)電凝膠，再將其放入乙醇中浸泡，隨著浸泡時(shí)間的增加，制孔劑PEG隨之脫落，形成多孔PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠，再將其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，力學(xué)性能測(cè)試及電化學(xué)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種多孔結(jié)構(gòu)提高了氧氣的進(jìn)入量，提供了更多的三相界面，大大改善了空氣陰極的電化學(xué)性能。

(1) 對(duì)浸泡乙醇5 h的PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠進(jìn)行倍率性能測(cè)試。當(dāng)電壓從1 mA/cm2時(shí)的1.23 V到5 mA/cm2時(shí)的1.11 V，僅衰減了0.12 V，而從初始的放電電流1 mA/cm2逐漸增加到5 mA/cm2，然后又回到1 mA/cm2，放電電壓幾乎恢復(fù)到初始值。說(shuō)明其具有高度的可逆性及穩(wěn)定的放電窗口。

(2) 對(duì)PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠進(jìn)行了最大功率密度測(cè)試，浸泡乙醇5 h的導(dǎo)電凝膠在128.50 mA/cm2時(shí)產(chǎn)生最大的峰值功率密度77.35 mW/cm2。均遠(yuǎn)高于其他導(dǎo)電凝膠，擁有最好的充放電性能。

(3) 對(duì)PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠進(jìn)行了放電性能測(cè)試，浸泡乙醇5 h的導(dǎo)電凝膠具有更高的穩(wěn)定放電電壓，且具有1 104.85 mA·h/g的高克容量，相對(duì)于未加(590.90 mA·h/g)、乙醇浸泡1 h (778.80 mA·h/g)、乙醇浸泡2 h (709.28 mA·h/g)及乙醇浸泡10 h(811.54 mA·h/g)。

(4) 對(duì)PAM/CNTs-PEG導(dǎo)電凝膠進(jìn)行了阻抗測(cè)試，可以看出Warburg 阻抗的大小順序?yàn)? h＜10 h＜2 h＜1 h＜未加PEG。這證明PEG制孔劑對(duì)電池性能的影響巨大，且在浸泡乙醇5 h時(shí)，導(dǎo)電凝膠的電化學(xué)性能最優(yōu)異。

(5) 再對(duì)浸泡乙醇5 h的導(dǎo)電凝膠進(jìn)行柔性傳感測(cè)試，證明該導(dǎo)電水凝膠有較好的導(dǎo)電性和較高的應(yīng)變靈敏度，可以滿足監(jiān)測(cè)人體日常運(yùn)動(dòng)的需要。