本發(fā)明涉及柔性二維電極，尤其是指一種基于超薄派瑞林襯底的柔性二維電極及其制備方法與應用。

背景技術：

1、隨著電子器件微型化、高集成化及復雜環(huán)境應用需求的增加，高性能柔性的導電電極材料的開發(fā)成為關鍵。與此同時，材料的防護也成為重中之重。派瑞林(parylene)作為一種聚對二甲苯聚合物，自20世紀60年代由美國union?carbide公司開發(fā)以來，憑借其獨特的化學氣相沉積(cvd)工藝和優(yōu)異的防護性能，在電子封裝、醫(yī)療器械、航空航天等領域得到廣泛應用。其完全敷形、無針孔、高阻隔性等特點，使其成為目前最有效的防潮、防霉、防腐蝕涂層材料之一。除此之外，由于其本征柔性，該材料在柔性襯底制備中表現(xiàn)出巨大的潛力。

2、近年來，隨著5g通信、物聯(lián)網(wǎng)(iot)及可穿戴設備的快速發(fā)展，柔性電子器件對柔性電極的需求量越來越大，并對其復合功能的需求也越來越高。例如，柔性電子器件要求涂層兼具高柔韌性、耐彎折性和低應力；生物醫(yī)療植入器件需滿足長期生物兼容性與滅菌穩(wěn)定性；航空航天設備則需耐受極端溫度、輻射及真空環(huán)境。傳統(tǒng)涂層材料(如環(huán)氧樹脂、聚氨酯)因存在針孔、應力殘留、耐溫性不足等問題，難以滿足上述需求。而派瑞林憑借其獨特的分子結構和cvd工藝，成為解決這些技術瓶頸的理想選擇。據(jù)市場研究機構grandviewresearch統(tǒng)計，2022年全球派瑞林涂層市場規(guī)模已突破5.5億美元，預計2023-2030年復合年增長率(cagr)將達8.7％，其增長動力主要來自消費電子、新能源電池及醫(yī)療設備的防護需求。

3、mxene材料作為一類新型的二維過渡金屬碳化物或氮化物，因其獨特的層狀結構、高導電性、優(yōu)異的機械柔韌性和豐富的表面官能團，在柔性電子領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。然而，導電mxene電極的研究和應用仍面臨一些關鍵挑戰(zhàn)。首先，大面積制備工藝中薄膜均勻性與生產(chǎn)效率的平衡問題尚未解決；其次，mxene材料在空氣中的抗氧化穩(wěn)定性不足，限制了其在長期應用中的可靠性；此外，現(xiàn)有封裝和轉移技術對器件電學性能的影響機制仍需進一步明晰。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決以上技術問題，本發(fā)明提供了一種基于超薄派瑞林襯底的柔性二維電極及其制備方法與應用。本發(fā)明通過電場驅(qū)動沉積技術實現(xiàn)mxene薄膜在剛性襯底上的大面積均勻可控生長，并結合派瑞林薄膜涂層技術實現(xiàn)二維mxene的無損轉移。此外，由于派瑞林薄膜涂層的封裝技術，能有效提升其抗氧化能力和環(huán)境穩(wěn)定性。聚焦三個核心方向：一是通過添加表面活性劑優(yōu)化mxene溶液配方并確定電場沉積的物理參數(shù)二是系統(tǒng)表征薄膜形貌和均勻性與柔韌性；三是探究派瑞林封裝與無損剝離對二維mxene轉移及環(huán)境穩(wěn)定特性的影響。

2、本發(fā)明的第一個目的在于提供一種基于超薄派瑞林襯底的柔性二維電極的制備方法，包括以下步驟：

3、利用表面活性劑和ti3c2制備得到mxene前驅(qū)體分散液：

4、將所述mxene前驅(qū)體分散液通過電沉積方法，在ito柔性基底表面形成mxene薄膜：

5、將派瑞林鍍膜材料在所述mxene薄膜表面上均勻地沉積派瑞林材料層，形成派瑞林薄膜層并完整包裹表面負載有mxene薄膜的柔性基底，形成派瑞林/mxene/ito/派瑞林薄膜的復合結構，實現(xiàn)柔性二維電極的封裝；

6、選取復合結構的一端使用激光切割切出一個切口，之后將緊貼ito柔性基底一側的派瑞林/mxene薄膜的復合膜一起從切口處剝離，最終得到所述基于超薄派瑞林襯底的柔性二維電極。

7、在本發(fā)明的一些實施例中，電沉積形成mxene薄膜的過程分為三個階段。第一階段：mxene分散于dmac溶液中，其表面存在大量oh-和f-等陰離子基團，通過添加表面活性劑增強材料分散的均勻性。在電場作用下，無序的mxene逐漸趨向有序，并朝正極方向游離，形成有序排列的mxene。第二階段：有序排列的mxene受范德華力影響，層間相互緊密貼合，進而形成多片層結構。第三階段：mxene多片層結構在電場驅(qū)動下持續(xù)向正極移動。當其到達正極的ito柔性基底表面時，憑借范德華力附著于ito柔性基底上，并在ito柔性基底表面發(fā)生自組裝，使得mxene片層間結合更為緊密，從而完成mxene薄膜的制備。

8、在本發(fā)明中，由于mxene薄膜與ito柔性基底的結合力遠小于mxene薄膜與派瑞林薄膜，所以可以將mxene薄膜和派瑞林薄膜的復合膜一起從ito柔性基底上使用物理方式剝離下來。最終得到所述基于超薄派瑞林襯底的柔性二維電極。

9、在本發(fā)明的一些實施例中，所述mxene溶液的濃度為5-20mg/ml。本發(fā)明中需要將mxene溶液搖勻，確保溶液均一性。mxene納米片由于高表面能及范德華力的作用，在靜置過程中容易發(fā)生團聚或沉降，因此通過添加表面活性劑，確保溶液均一性，避免局部濃度差異影響實驗結果的準確性。

10、在本發(fā)明的一些實施例中，所述ito柔性基底經(jīng)過預處理，預處理包括以下步驟：用洗潔劑、去離子水、丙酮，乙醇各超聲至少15分鐘，清洗干凈，并用氮氣槍吹干。

11、在本發(fā)明的一些實施例中，電沉積方法的電壓設置為8～10v，時間為2分鐘。

12、在本發(fā)明中，電沉積mxene薄膜的具體步驟：

13、將預處理后的兩片ito基底置于電沉積容器中，導電面互相正對。加入配制好的mxene溶液，并施加特定的電壓。在定向電場的作用下，mxene片層分子向正極移動并沉積在ito基底上。電沉積過程持續(xù)2-30分鐘。通過控制電沉積時間，可以調(diào)節(jié)薄膜的厚度。進一步地，工作站的電極選用2ⅹ2cm2的氧化銦錫層電極ito電極；左右兩端的電極間距為10mm，正負電極均為ito電極。

14、在本發(fā)明的一些實施例中，所述派瑞林鍍膜材料包括派瑞林c粉末、派瑞林n粉末(parylene?n)、派瑞林d粉末(parylene?d)、派瑞林f粉末(parylene?f)、派瑞林ht粉末(parylene?ht)中的一種或多種，所述派瑞林鍍膜材料的負載量為0.1-1g/cm2。

15、在本發(fā)明的一些實施例中，派瑞林的鍍膜材料在所述mxene薄膜表面均勻地沉積派瑞林材料層的過程中所使用的儀器工藝參數(shù)為：溫度從80℃逐步升至110℃，分階段升溫，具體為：80-94℃階段每升溫2℃維持10-20min；94-110℃階段每升溫2℃維持10-20min。裂解時的溫度為180℃；真空度為10-2pa。

16、在本發(fā)明的一些實施例中，派瑞林鍍膜材料的沉積速率為0.5-1μm/h。

17、本發(fā)明中派瑞林涂層的制備工藝流程，采用化學氣相沉積(cvd)技術，整個過程在真空條件下進行，主要分為蒸發(fā)、裂解、沉積三個過程。

18、在本發(fā)明中，派瑞林封裝和剝離，具體包括以下步驟：

19、將電沉積后的mxene薄膜置于派瑞林cvd設備中，在常溫常壓下進行派瑞林薄膜的沉積。通過控制沉積時間，確保派瑞林薄膜的厚度在4-8μm范圍內(nèi)，以實現(xiàn)均勻無針孔的封裝效果。沉積速率控制在0.5-1μm/h，以確保薄膜的均勻性和致密性。封裝完成后將薄膜取出,利用激光切割切出一個小口，并將派瑞林/mxene薄膜層剝離下來，觀察其形貌和狀態(tài)。

20、本發(fā)明的第二個目的在于提供一種基于超薄派瑞林襯底的柔性二維電極，由上述所述制備方法制備所得，所述柔性二維電極以派瑞林薄膜為襯底，在所述襯底表面設有mxene薄膜。

21、在本發(fā)明的一些實施例中，所述派瑞林薄膜的厚度為4-8μm；所述mxene薄膜的厚度為5-25μm；所述柔性二維電極的總厚度為9-33μm。

22、本發(fā)明的第三個目的在于提供一種柔性電子器件，包括所述的柔性二維電極。

23、本發(fā)明中，將預處理過的基底放入電沉積容器中，加入配置好的mxene溶液，并施加電壓，mxene片層分子向正極定向移動并自組裝沉積在ito基底上，獲得一層均勻的mxene自組裝薄膜；將電沉積后的mxene薄膜置于派瑞林cvd設備中，在mxene薄膜上鍍一層均勻且致密的派瑞林薄膜，形成能夠覆蓋基材的尖銳棱角、裂縫和內(nèi)表面的無盲區(qū)的防護層利用激光切割切出一個小口，并將派瑞林/mxene剝離下來，得到超薄襯底的柔性二維電極。本發(fā)明利用mxene本身的功能基團和外部的電場作用力實現(xiàn)mxene的自組裝薄膜制備，加之派瑞林薄膜的致密無針孔的結構、優(yōu)異的化學惰性以及高阻隔性，有效提升柔性二維電極的抗氧化性和環(huán)境穩(wěn)定性。

24、本發(fā)明的抗氧化性和環(huán)境穩(wěn)定性是指在ito電極上制備功能材料，進一步制備成派瑞林/mxene/ito/派瑞林薄膜的復合結構，隔絕外界，防止氧化，可以進行長時間保存。

25、本發(fā)明的上述技術方案相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點：

26、1、本發(fā)明通過電沉積技術結合定向電場控制，成功實現(xiàn)了mxene片層在ito柔性基底基底上的大面積均勻沉積，成功解決了大面積制備工藝中薄膜均勻性與生產(chǎn)效率的平衡問題。

27、2、本發(fā)明提供的派瑞林/mxene/ito/派瑞林薄膜的復合結構，有效提升了mxene材料在空氣中的抗氧化性，解除了其在長期保存中的可靠性的限制。

28、3、本發(fā)明還成功制備了以派瑞林為基底的柔性mxene復合薄膜，實現(xiàn)柔性超薄二維電極的制備。