柔性Janus超疏水電極的制備及性能

摘 要：紡織基電極材料作為儲(chǔ)能及智能器件的關(guān)鍵組成部分，其防水、透濕功能是實(shí)現(xiàn)材料抵御環(huán)境水浸潤(rùn)及高效電化學(xué)性能的重要條件。以滌綸紡織品為基底材料，負(fù)載炭黑、聚吡咯導(dǎo)電復(fù)合涂層，構(gòu)筑了高性能柔性電極；接著在電極單側(cè)噴涂聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液，制備出柔性Janus超疏水電極。研究表明：導(dǎo)電涂層與超疏水涂層能夠均勻地粘附在纖維表面；在浸潤(rùn)性測(cè)試中，電極經(jīng)PDMS處理后電極表面水的接觸角為151.73°，展現(xiàn)出超疏水性，未經(jīng)PDMS處理面，液滴在1.6 s內(nèi)完全浸潤(rùn)；在電化學(xué)性能測(cè)試中，當(dāng)恒流充放電電流密度為1 mA/cm²時(shí)，Janus超疏水電極的面積比電容可達(dá)1037 mF/cm²，經(jīng)1000次彎折后容量保持率仍為98.4%，循環(huán)充放電4000次后，其面積比電容保持率高達(dá)96.6%，展現(xiàn)出良好的電容性能及穩(wěn)定性。柔性Janus超疏水電極的制備可為高性能、低成本的柔性產(chǎn)品的開發(fā)奠定材料基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：滌綸織物；炭黑；聚吡咯；Janus超疏水；柔性電極

中圖分類號(hào)：TS102.4;TQ150

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1009-265X（2025）04-0105-08

收稿日期：20240418

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240629

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（62201629）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（23A540005）；學(xué)科青年碩導(dǎo)培育計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：張豪杰（2001—），男，河南周口人，碩士研究生，主要從事柔性儲(chǔ)能器件方面的研究

通信作者：丁亞茹，E-mail：dingyaru000@126.com

織基柔性電極材料具有良好的柔韌性、高比表面積及低成本^［1］等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子皮膚^［2］、人體運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域^［3］。然而，由于紡織基材料的電絕緣性，將其應(yīng)用于儲(chǔ)能和傳感器件時(shí)，往往需要通過浸漬、抽濾、靜電沉積、打印等技術(shù)，使導(dǎo)電材料負(fù)載到紡織品基底上^［4］。上述方法制備的柔性電極材料，導(dǎo)電層與柔性基底間的結(jié)合力較差，影響材料的性能穩(wěn)定性。另外，由于具有高的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，紡織基柔性電極材料在使用的過程中易受到環(huán)境中水的浸潤(rùn)^［5］，進(jìn)而影響材料的電學(xué)穩(wěn)定性^［6-8］。因此，在紡織基柔性電極材料表面構(gòu)筑Janus超疏水涂層，能夠?qū)崿F(xiàn)電極材料良好的防水、透濕性能。

超疏水表面是指液體接觸角大于150°、滾動(dòng)角小于10°的固體表面^［9］，該表面上液滴能夠保持球形狀態(tài)，且能夠在一定的外力輔助下，從固體表面滾落，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材料表面的防浸潤(rùn)性能。Torun等^［10］在氧化銦錫基底上構(gòu)建聚乙二醇脂肪酸酯層，再噴涂烷基硅烷功能化納米粒子，實(shí)現(xiàn)透明超疏水涂層的構(gòu)筑。該研究發(fā)現(xiàn)，所制備的材料具有良好的導(dǎo)電性及耐用性能。電極表面構(gòu)筑疏水涂層使電極具有防浸潤(rùn)性能，保護(hù)電極不受污染，提升電化學(xué)穩(wěn)定性。然而，導(dǎo)電涂層與基底材料的黏合牢度也是影響柔性電極材料電學(xué)穩(wěn)定性能的重要因素。鐘小芳等^［11］采用憎水性有機(jī)物電解合成疏水PbO₂電極，該電極解決了以往電極所存在的鍍層與基體結(jié)合不牢的問題。對(duì)于Janus膜的構(gòu)建，Han等^［12］在聚偏二氟乙烯基材上噴涂聚乙烯醇水凝膠和戊二醛交聯(lián)劑作為固定層，基底與固定層之間噴涂碳納米管成功構(gòu)建Janus導(dǎo)電膜，構(gòu)建的Janus膜電導(dǎo)率優(yōu)于原碳納米管膜，耐用性也得到顯著提升。因此，在柔性導(dǎo)電材料表面構(gòu)筑Janus超疏水涂層，能夠有效增強(qiáng)材料的耐用性及提升電學(xué)穩(wěn)定性。

綜上，本文以滌綸織物為基底材料，通過自組裝導(dǎo)電炭黑及復(fù)合聚吡咯構(gòu)筑導(dǎo)電涂層，以期增強(qiáng)紡織基電極材料的導(dǎo)電性能；再通過噴涂PDMS溶液，來構(gòu)筑單面超疏水的Janus柔性電極，并對(duì)電極的表面微結(jié)構(gòu)、浸潤(rùn)性能及電學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，旨在為織物傳感器和儲(chǔ)能器件的制備提供材料基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和儀器

實(shí)驗(yàn)原材料和藥品：滌綸織物（機(jī)織平紋，250 g/m²），陜西省國(guó)營(yíng)第八棉紡織廠；硫酸鈉、吡咯、無水乙醇、六水合三氯化鐵、對(duì)甲苯磺酸、聚乙烯亞胺（PEI）、聚二甲基硅氧烷均為分析純，上海麥克林生化科技有限公司；超導(dǎo)炭黑（優(yōu)級(jí)純），煙臺(tái)嘉益能新材料科技有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：85-2A恒溫磁力攪拌器，江蘇科析儀器有限公司；JP-040ST超聲清洗機(jī)，深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司；DZF-6020AB真空干燥箱，常州兆圣實(shí)驗(yàn)設(shè)備制造有限公司；CHI660E電化學(xué)測(cè)試儀，上海辰華儀器有限公司；JCY-1接觸角測(cè)試儀，江蘇永瑞儀器有限公司；Hitachi掃描電鏡（SEM），日本日立公司；X射線能譜儀（EDS），日本日立公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 滌綸織物預(yù)處理

將5 cm×5 cm的滌綸織物在去離子水中超聲清洗30 min，取出后用無水乙醇沖洗，放入烘箱60 ℃干燥，重復(fù)操作3次，以去除織物表面的雜質(zhì)。

1.2.2 炭黑/滌綸織物電極的制備

將預(yù)處理的滌綸織物浸沒在1 mg/mL的PEI水溶液3 min，取出后在60 ℃烘箱中干燥；再將其浸漬在1.5 mg/mL的炭黑與無水乙醇的懸浮液中，靜置5 min，取出后干燥，重復(fù)上述操作5次得到炭黑/滌綸織物。

1.2.3 聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極的制備

將0.2 mL吡咯單體和0.5 g對(duì)甲苯磺酸溶解在30 mL去離子水中，-5～0 ℃低溫?cái)嚢?5 min，充分冷卻后，將炭黑/滌綸織物置于上述溶液中，與吡咯單體溶液充分接觸。與此同時(shí)，將0.87 g FeCl₃·6H₂O充分溶于30 mL去離子水中，逐滴滴加到炭黑/滌綸與吡咯單體的混合溶液中，5 h后取出滌綸紡織品，用大量去離子水反復(fù)清洗，70 ℃干燥12 h，制得聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極。

1.2.4 柔性Janus超疏水界面的構(gòu)筑

將PDMS溶于乙酸乙酯溶液中制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PDMS溶液。取5～10 mL PDMS溶液噴涂到聚吡咯/炭黑/滌綸電極的一側(cè)，真空70 ℃干燥6 h，制得Janus超疏水電極。

1.3 測(cè)試與表征

采用SEM對(duì)各柔性電極表面掃描來分析電極表面的微觀形貌和元素分布狀態(tài)；接觸角測(cè)試儀（JCY-1）測(cè)量樣品疏水面的接觸角（去離子水體積為8 μL，取3個(gè)不同位置測(cè)量并取平均值）；柔性電極電化學(xué)測(cè)試采用上海辰華儀器有限公司CHI660E電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試，利用三電極測(cè)試體系在1 mol/L的Na₂SO₄溶液中進(jìn)行柔性電極的電化學(xué)性能測(cè)試（電壓窗口范圍-0.4～0.4 V），采用鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極（SCE）作參比電極，對(duì)柔性電極（面積為1 cm×2 cm）進(jìn)行循環(huán)伏安（CV）、恒流充放電（GCD）、交流阻抗（EIS）測(cè)試。在Na₂SO₄溶液中，聚吡咯（PPy）的充放電反應(yīng)式，如式（1）所示：

PPy+nSO₄^2-?=?PPy²ⁿ⁺（SO₄）^2-_n+2ne^-（1）

其獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)過程可使聚吡咯在充放電過程中保持較高的贗電容，由式（1）可以看出，在Na₂SO₄體系中，只有SO^2-₄參與PPy的氧化還原反應(yīng)，且一個(gè)PPy分子可產(chǎn)生2n個(gè)電子。

2 結(jié)果與分析

柔性Janus超疏水聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極的制備工藝如圖1所示。滌綸紡織品經(jīng)PEI處理后，能夠與負(fù)電性的炭黑進(jìn)行靜電自組裝；接著在炭黑導(dǎo)電層表面聚合吡咯增強(qiáng)材料的電學(xué)性能，制得聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極；接著在電極一側(cè)噴涂PDMS，構(gòu)筑單面超疏水的柔性織物電極。

2.1 材料表面微觀形貌特征

采用電子顯微鏡觀察滌綸紡織品的纖維表面，可以觀察出纖維結(jié)構(gòu)均勻且表面光滑，其具體微觀形貌如圖2所示。由圖2（a）可看出，滌綸紡織品由多根纖維交織而成，展現(xiàn)出較大的比表面積，進(jìn)一步提升放大倍數(shù)如圖2（b）所示。從圖2（b）中可清晰觀察到，織物是由多根纖維相互纏繞交織而成，單根纖維的直徑在10～12 μm，纖維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出較大的比表面積及纖維間多孔隙結(jié)構(gòu)分布。

炭黑涂層在滌綸纖維表面的負(fù)載狀態(tài)如圖3所示。圖3（a）展示了炭黑能夠均勻地負(fù)載在滌綸纖維表面，且炭黑材料的堆疊結(jié)構(gòu)緊密。由圖3（b）可以觀察到，采用靜電自組裝制備的導(dǎo)電涂層中炭黑納米顆粒之間存在多孔結(jié)構(gòu)，且孔隙結(jié)構(gòu)分布均勻，呈現(xiàn)“類珊瑚礁”狀結(jié)構(gòu)，炭黑/滌綸織物表面具有較高的比表面積^［13］，可為吡咯的聚合提供大量附著位點(diǎn)。

在炭黑涂層表面原位聚合吡咯后，纖維表面的微觀形貌如圖4所示。通過電子顯微鏡圖4（a）可以看到原位聚合吡咯后能夠在炭黑表面形成均勻的包覆層，進(jìn)一步提高放大倍數(shù)后如圖4（b）所示，從圖中可以觀察到纖維表面聚吡咯涂覆后，導(dǎo)電材料之間仍保留較多的孔隙結(jié)構(gòu)，維持材料表面較高的比表面積。

將PDMS噴涂到聚吡咯/炭黑/滌綸紡織品表面，制得超疏水導(dǎo)電涂層結(jié)構(gòu)，觀察超疏水表面的微觀形貌，如圖5所示。PDMS能夠在炭黑/聚吡咯導(dǎo)電層上形成均勻的包覆層（見圖5（a）），噴涂PDMS后聚吡咯/炭黑/滌綸表面出現(xiàn)“鱗片”狀微結(jié)構(gòu)（見圖5（b）），導(dǎo)電納米材料及聚合物間的微孔隙結(jié)構(gòu)減少甚至幾乎消失，這對(duì)于提升導(dǎo)電涂層的防水性能具有重要作用。

纖維表面的元素測(cè)定進(jìn)一步證明了炭黑、吡咯及聚二甲基硅氧烷在織物表面的均勻負(fù)載。圖6（a）展示了滌綸織物表面的C、O元素分布情況。經(jīng)PEI修飾后，織物表面均勻分布N元素（見圖6（b）），進(jìn)而證明了PEI對(duì)滌綸織物表面的均勻修飾。在聚吡咯/炭黑/滌綸織物的表面測(cè)定S顯示元素的存在，表明聚吡咯在織物表面的均勻負(fù)載（見圖6（c））；在聚吡咯/炭黑/滌綸織物表面噴涂PDMS后，元素分布情況如圖6（d）所示，Si元素在織物表面分布均勻，也間接說明了聚二甲基硅氧烷涂層的形成。

通過觀察滌綸、炭黑/滌綸、聚吡咯/炭黑/滌綸及PDMS處理后的聚吡咯/炭黑/滌綸纖維表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電涂層能夠均勻的負(fù)載在滌綸纖維表面，碳納米材料能夠有效的增加纖維表面的比表面積；聚吡咯的負(fù)載對(duì)炭黑導(dǎo)電涂層的微觀結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生影響；但是PDMS涂層的負(fù)載會(huì)將炭黑納米顆粒及聚吡咯進(jìn)行包裹，納米材料之間的孔隙結(jié)構(gòu)幾乎完全被覆蓋，這對(duì)于提升材料的防水性能是有益的。為進(jìn)一步確定各種處理材料在紡織基表面的分布，采用EDS能譜分析觀察材料表面的材料分布情況，證實(shí)PEI、聚吡咯、PDMS所對(duì)應(yīng)的特征元素在織物表面能夠均勻分布，這也進(jìn)一步說明了各種涂層材料能夠均勻有序地負(fù)載在織物纖維表面。

2.2 柔性Janus超疏水電極的柔韌性及浸潤(rùn)性能測(cè)試

2.2.1 Janus超疏水電極的柔韌性測(cè)試

電極材料良好的柔韌性是電極作為柔性儲(chǔ)能元件的基礎(chǔ)，超疏水聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極能夠進(jìn)行卷曲、彎折、折疊等操作（見圖7），該織物基電極材料表現(xiàn)出較高的柔韌性。

2.2.2 Janus超疏水電極表面浸潤(rùn)性能檢測(cè)

通過接觸角測(cè)試，探究經(jīng)PDMS疏水處理后的聚吡咯/炭黑/滌綸電極的表面浸潤(rùn)性能和疏水面的疏水性，結(jié)果如圖8所示。將8 μL的去離子水滴落到未經(jīng)PDMS處理的聚吡咯/炭黑/滌綸織物表面，結(jié)果如圖8（a）—（b）所示，1.6 s后液滴完全浸潤(rùn)到電極內(nèi)，這得益于紡織基底材料的孔隙結(jié)構(gòu)、高的比表面積及聚吡咯含有大量的親水官能團(tuán)的共同作用，使得電極表面具有良好的浸潤(rùn)的性能。聚吡咯/炭黑/滌綸電極經(jīng)PDMS疏水化處理后，表面浸潤(rùn)性測(cè)試結(jié)果如圖8（c）—（d）所示，液滴能夠靜置在材料表面呈現(xiàn)球形液滴結(jié)構(gòu)，并且16 s后液滴形態(tài)幾乎無變化，經(jīng)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試靜態(tài)接觸角為151.7°，展現(xiàn)出良好的超疏水表面。作為聚吡咯/炭黑/滌綸電極，單面的超疏水處理能夠?qū)崿F(xiàn)電極的Janus疏水性能，為其在防水、透濕性儲(chǔ)能材料及智能產(chǎn)品開發(fā)提供材料基礎(chǔ)。

綜上所述，織物柔性電極在外力作用下可發(fā)生彎曲、折疊、卷曲等形變，表現(xiàn)出高柔韌性。柔性電極材料經(jīng)PDMS處理的表面，水滴能夠長(zhǎng)時(shí)間的站立而不被浸潤(rùn)，展現(xiàn)出良好的防水性能；未經(jīng)PDMS處理的表面，液滴能夠快速浸潤(rùn)。說明電極表面的浸潤(rùn)性能調(diào)控能夠有效地實(shí)現(xiàn)防水、透濕的能力，并且織物電極的親水/疏水表面構(gòu)筑拓寬材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域及智能響應(yīng)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3 柔性Janus超疏水電極的電化學(xué)性能測(cè)試

2.3.1 柔性電極的電化學(xué)性能

聚吡咯與炭黑涂層的交疊結(jié)構(gòu)能夠有效地提升紡織基柔性電極的電化學(xué)性能^［14］。分別對(duì)炭黑/滌綸、聚吡咯/滌綸、聚吡咯/炭黑/滌綸電極的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。從圖9（a）中可以看出，在相同掃描速度（5 mV/s）下，聚吡咯/炭黑/滌綸電極具有較大的峰值電流，其CV曲線的覆蓋面積顯示出材料較好的電容行為和低的界面阻抗。為更直觀看出不同電極的界面阻抗，采用交流阻抗測(cè)試得出的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)一步分析，如圖9（b）為柔性電極的電化學(xué)阻抗譜，聚吡咯/炭黑/滌綸電極的交流阻抗曲線的斜率最大，說明電解液離子在電極表面存在較高的擴(kuò)散速率，其電化學(xué)阻抗最小。數(shù)據(jù)測(cè)量顯示聚吡咯與炭黑的交疊結(jié)構(gòu)更有利于電解質(zhì)離子的傳輸，是實(shí)現(xiàn)高效電化學(xué)性能的關(guān)鍵。

2.3.2 超疏水涂層對(duì)柔性電極的電化學(xué)影響

為進(jìn)一步探究超疏水涂層對(duì)柔性電極的電學(xué)性能的影響，對(duì)聚吡咯/炭黑/滌綸電極經(jīng)PDMS疏水處理前后的樣品，在1 mA/cm²的電流密度下進(jìn)行恒流充放電測(cè)試，結(jié)果如圖10示。測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)PDMS疏水處理的柔性電極的面積比電容為1037 mF/cm²，而未經(jīng)PDMS處理的柔性電極的面積比電容為1051 mF/cm²，對(duì)比發(fā)現(xiàn)經(jīng)疏水處理后柔性電極的面積比電容幾乎沒有衰減，表明電極表面的疏水涂層對(duì)電極的電化學(xué)性能幾乎不產(chǎn)生影響。

2.3.3 柔性Janus超疏水電極的電化學(xué)性能測(cè)試

經(jīng)PDMS處理后的柔性Janus超疏水電極，其良好的電容行為是將該電極應(yīng)用于儲(chǔ)能及智能領(lǐng)域的關(guān)鍵。圖11（a）是超疏水聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極在不同掃描速率下的CV曲線，在1～10 mV/s掃描速率下均表現(xiàn)出高度可逆的氧化還原反應(yīng)，此電化學(xué)行為源于復(fù)合電極表層的聚吡咯快速、可逆的法拉第反應(yīng)。聚吡咯作為典型的贗電容材料，其儲(chǔ)能機(jī)制包含擴(kuò)散行為和電容行為，為精確計(jì)算兩種儲(chǔ)能行為的占比，采用Pech等^［15］提出的模型對(duì)

圖11（a）中的CV測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合分析計(jì)算，具體計(jì)算公式如式（2）：

i=k₁V+k₂V（2）

式中：i為循環(huán)伏安測(cè)試的響應(yīng)電流，mA；V為CV測(cè)試電壓掃描速率，mV/s。k₁V為電容行為貢獻(xiàn)；k₂V為擴(kuò)散行為貢獻(xiàn)。

兩種儲(chǔ)能行為的占比經(jīng)公式（2）計(jì)算結(jié)果如圖11（b）所示。當(dāng)掃速為1 mV/s時(shí)，電極電容行為貢獻(xiàn)占總電容的26.3%，且隨掃速增加電容行為貢獻(xiàn)占比逐漸增大，掃速增加到10 mV/s時(shí)電容行為貢獻(xiàn)增加到52.9%，織物電極表現(xiàn)出快速的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

為進(jìn)一步研究疏水織物電極的比容量和電容性能，通過恒流充放電GCD測(cè)試，疏水織物電極的充放電曲線均呈現(xiàn)出類等腰三角形（見圖11（c）），展現(xiàn)出較高的庫(kù)倫效率，當(dāng)電流密度分別為1、2、3、5、10 mA/cm²時(shí)，相對(duì)應(yīng)的庫(kù)倫效率為60%、92%、96%、100%、100%，證明在5 mA/cm²及更高的電流密度下容量不發(fā)生衰減；GCD測(cè)試結(jié)果由式（3）計(jì)算出柔性電極的面積比電容，當(dāng)電流密度為1 mA/cm²時(shí)，其面積比電容可達(dá)1031 mF/cm²，體現(xiàn)了疏水織物電極優(yōu)異的電容性能。

C_s=I·t/ΔV·S（3）

式中：C_s為電極的面積比電容，mF/cm²；I為放電電流，mA；t為放電時(shí)間，s；ΔV為電化學(xué)性能的電壓，V；S為柔性電極的幾何面積，cm²；

為研究織物電極電容的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性，對(duì)滌綸織物電極進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，結(jié)果如圖11（d）所示。當(dāng)充放電電流密度為10 mA/cm²時(shí)，循環(huán)充放電4000次后，其面積比電容保持率高達(dá)96.6%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。

2.3.4 柔性Janus超疏水電極彎曲穩(wěn)定性測(cè)試

超疏水織物電極的循環(huán)穩(wěn)定性、耐機(jī)械疲勞性是保證電化學(xué)性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。為證明制備的柔性疏水電極具備良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行彎曲循環(huán)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12所示，其中插圖為柔性電極從0°～180°的彎曲照片。從圖12中可以看出，彎曲次數(shù)為300-700時(shí)，電容保持率基本不變，彎曲1000次之后電容保持率出現(xiàn)小幅度下降，容量保持率仍然高達(dá)98.4%，不同彎曲次數(shù)的疏水織物電極CV曲線幾乎重合，顯示出電極優(yōu)異的柔韌性、機(jī)械穩(wěn)定性。

綜上所述，柔性Janus超疏水電極良好的電化學(xué)性能得益于聚吡咯與炭黑導(dǎo)電材料的交疊結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電涂層高的比表面積。在電化學(xué)性能測(cè)試中，進(jìn)一步說明了PDMS超疏水涂層對(duì)電極材料的電學(xué)性能幾乎不產(chǎn)生影響。另外，柔性Janus超疏水電極在循環(huán)伏安測(cè)試中CV曲線均表現(xiàn)出對(duì)稱的氧化峰和還原峰，隨著掃描速率增大電容行為貢獻(xiàn)主導(dǎo)電極的儲(chǔ)能過程；GCD測(cè)試結(jié)果顯示織物電極優(yōu)異的電容性能；在循環(huán)充放電測(cè)試中與彎折循環(huán)測(cè)試中，結(jié)果表明織物電極具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性與耐彎曲性。進(jìn)一步說明柔性Janus電極材料的防水、透濕性能有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

本文以滌綸織物為柔性基底，采用靜電自組裝在織物上負(fù)載炭黑涂層，接著在炭黑涂層上聚合吡咯，構(gòu)筑了聚吡咯/炭黑/滌綸電極；并將PDMS噴涂到聚吡咯/炭黑/滌綸電極的一側(cè)構(gòu)建Janus超疏水電極，同時(shí)對(duì)滌綸織物電極進(jìn)行微觀表征、宏觀表征、電化學(xué)測(cè)試、循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，主要得出如下結(jié)論：

a）采用靜電自組裝和原位聚合吡咯的方法可以制備聚吡咯/炭黑/滌綸織物電極，對(duì)電極單側(cè)噴涂PDMS，可以制得柔性Janus超疏水電極，且炭黑、聚吡咯、PDMS在織物表面分布均勻。

b） 采用接觸角測(cè)試證實(shí)了電極表面的疏水/親水特性，柔性Janus超疏水電極具有優(yōu)異的柔韌性、超疏水性能，疏水側(cè)水的接觸角為151.7°，表現(xiàn)出超疏水特性；親水側(cè)表面水滴在1.6 s內(nèi)被完全吸收，表現(xiàn)出良好的浸潤(rùn)性能。

c）在電化學(xué)性能測(cè)試中，柔性Janus超疏水電極的CV掃描曲線證明電極具有高度可逆的氧化還原反應(yīng)，隨著掃描速率的增加電容行為貢獻(xiàn)占比增大，表明電極表面存在較大的離子傳輸速率；1 mA/cm²電流密度充放電測(cè)試時(shí)，其面積比電容高達(dá)1037 mF/cm²；循環(huán)充放電4000次后，電容保持在96.6%，展現(xiàn)良好的循環(huán)充放電能力；另外，通過對(duì)比Janus超疏水電極與未疏水處理電極的恒流充放電測(cè)試結(jié)果，超疏水涂層幾乎不影響聚吡咯/炭黑/滌綸電極的儲(chǔ)能性能。

d）柔性Janus超疏水電極經(jīng)0～180°反復(fù)彎曲1000次后，面積比電容保持率高達(dá)98.4%，表現(xiàn)出了良好的耐機(jī)械疲勞性能。

綜上所述，本文通過靜電自組裝、原位聚合、單表面噴涂制備的柔性Janus超疏水織物電極，擁有優(yōu)異的柔韌性、超疏水性和電化學(xué)性能，表明織物在柔性儲(chǔ)能和智能可穿戴器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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Preparation and properties of flexible Janus superhydrophobic electrodes

ZHANG Haojie¹， DING Yaru¹， LIU Rangtong¹， WANG Jingjing²， YU Yuanyuan¹

（1.College of Fashion Technology， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 451191， China; 2.Asia Symbol Pulp and Paper Co.，Ltd.， Rizhao 276826， China）

Abstract：Textile-based flexible electrodes are widely used in flexible sensing， human-computer interaction， and health detection due to their excellent flexibility， high pore density， and low cost. However， due to the electrically insulating nature of traditional textiles， it is often necessary to use methods such as dipping， spraying， and electrodeposition to make the textile electrically conductive; the conductive materials in these flexible electrodes are prone to detachment during bending and folding. In addition， the electrode material is susceptible to water infiltration in the environment during use， which in turn affects the electrical stability of the material. Therefore， the Janus interface constructed on the surface of the electrode material can achieve waterproof and moisture-permeable performance of the electrode surface.

To construct the Janus interface on the fabric electrode surface to enhance the waterproof and moisture permeability of the electrode， and the stability of the active substance adhesion on the fabric electrode surface， carbon black was electrostatically self-assembled onto the surface of PEI-modified polyester， and then polymerization of polypyrrole on the surface of the carbon coating was used to prepare carbon/polypyrrole/polyester conductive materials; polydimethylsiloxane （PDMS） was used to hydrophobize the conductive fibers and construct the Janus membrane to make the electrode waterproof and self-cleaning. Moreover， PDMS can be used as a curing agent to enhance the adhesion between the conductive material and polyester fibers， preventing the conductive material and the active material from falling off in the state of folding， bending， and twisting. The prepared samples passed a series of tests， and the results showed that： the constructed hydrophobic coating can effectively resist the interference of external liquid droplets， and the static contact angle of water droplets was 151.73°; the Janus structure can effectively increase the infiltration rate of the hydrophilic side， and 8 μL of deionized water was completely absorbed within 1.6 s; due to the solidification of active substances by PDMS， the capacity retention rate of the flexible electrode after 1，000 cycles of bending was 98.4%; the composite coating of carbon black and polypyrrole increased the area-specific capacitance of the flexible electrode to 1，037 mF/cm² （at a current density of 1 mA/cm²）; the area specific capacitance retention rate was 96.6% after 4，000 cycles of cyclic charging and discharging. The composite structure design of the superhydrophobic coating and polypyrrole/carbon black exhibits complementary gain effects， providing a material basis for the research of lightweight and high-performance flexible wearable devices and energy storage devices. The constructed Janus electrode with its hydrophobic surface possesses high surface energy， which can accelerate the wetting performance of the hydrophilic surface and enhance the electrochemical reaction rate.

Through a series of tests and characterizations， it is proved that the prepared unilateral superhydrophobic electrodes have excellent performance in terms of wettability， flexibility， electrochemical performance， and cycling performance， which provides a new idea for the research of lightweight， high-performance， and low-cost flexible electronic energy storage devices.

Keywords： polyester fabric; carbon black; polypyrrole; Janus superhydrophobic; flexible electrode