碳纳米管电化学特性及去离子电容应用研究

论文摘要

人类进入二十一世纪以来，面临着能源紧缺和环境污染的挑战。人们希望科技的进步有助于解决这些困难。纳米科技的出现使得人们有希望得到新的高效储能系统和水净化解决方案。其中碳纳米管的电化学特性在这方面有着独特的应用。 碳纳米管具有导电性好、比表面积大和独特的孔结构等优点，这使得它可以作为新型储能元件——超级电容器的电极材料；同时其电容性能又可以延伸应用于电容去离子净化水系统当中，电容吸附去离子水，电容去离子技术具有成本低廉、绿色环保、节省能源、简单易用等优点。对其研究、开发和推广，无疑对防止水体污染，保护人民健康和发展经济具有重要的现实意义。 本文系统地研究了低温低压化学气相沉积制备的大面积制备的碳纳米管薄膜的电化学电容特性，重点研究碳纳米管电容特性在水处理上的应用——电容去离子。 主要研究结果如下： 1．低温低压化学气相沉积方法是一种新颖的制备碳纳米管薄膜电极的方法，该方法具有成本低、可以大面积生长等优点。本论文采用这种方法制备碳纳米管薄膜，应用在超级电容器电极和电容去离子装置的电极材料。 2．采用循环伏安法和交流阻抗谱测试了碳纳米管薄膜的电容特性：在1M硫酸溶液中，碳纳米管薄膜表现出较好的超级电容特性，比电容达到143 F／g；交流阻抗谱测试表明碳纳米管薄膜具有典型的赝电容特性。采用多种分析手段，分析了产生赝电容特性的原因，将其归结为碳纳米管薄膜表面中含有含氧官能团(羰基)的缘故。 3．研究了碳纳米管薄膜电极的电容去离子行为： (1)碳纳米管薄膜的孔结构主要由中孔和部分大孔组成，微孔很少，适合电容去离子的应用。 (2)适合电容去离子研究的碳纳米管薄膜生长的最佳条件为：碳源(乙炔)流量：30～50sccm；氢气流量：2000sccm；温度：500～550℃；反应时间：30～60分钟。碳纳米管薄膜在制备态下就具有较好的电容去离子特性，无需进行后处理，如等离子体刻蚀处理和空气退火。 (3)器件结构对电容去离子的影响很大。电极对数增加，会提高电容去离子能力。电极间距越小，电容去离子性能越好。 (4)在最佳的生长条件和器件结构下，不同工作条件对电容去离子也有很大的影响：电极电压越高，除盐率越高；存在一个最佳流速，此时除盐率最高。 (5)碳纳米管薄膜电极电容去离子过程的吸附等温线符合Langmuir吸附等

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• §1.1 碳纳米管的电化学性能综述
• §1.2 电容去离子研究概况
• §1.3 本论文研究的意义和内容
• 参考文献
• 第二章 碳纳米管薄膜电极的制备与表征
• §2.1 低压化学气相沉积制备碳纳米管薄膜
• §2.2 碳纳米管薄膜的表征
• §2.3 电化学方法制备金属催化剂薄膜
• §2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管薄膜的电容特性
• §3.1 超级电容器的基本原理和测试方法
• §3.2 碳纳米管薄膜电极的电容特性
• §3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 碳纳米管电容去离子的研究
• §4.1 测试装置和实验方法
• §4.2 碳纳米管薄膜的孔结构分析
• §4.3 碳纳米管形貌、结构与电容去离子性能的关系
• §4.4 电容去离子器件结构与电容去离子性能的关系
• §4.5 电容去离子器件工作条件与电容去离子性能的关系
• §4.6 碳纳米管电容去离子的吸附等温线
• §4.7 离子特性与电容去离子性能的关系
• §4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 碳纳米管电容去离子的机理探讨
• §5.1 碳纳米管电容去离子过程的交流阻抗谱分析
• §5.2 碳纳米管表面双电层电容的分析
• §5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结与展望
• §6.1 论文总结
• §6.2 论文展望
• 附录一：攻读博士期间发表的论文
• 附录二：攻读博士期间申请的专利
• 致谢