取向碳纳米管阵列电极的制备及其在超级电容器中的应用

论文摘要

与蓄电池相比,超级电容器具有较高的比功率,与传统电容器相比,超级电容器具有较大的容量和较高的能量,且工作温度范围宽、循环寿命长,它是一种理想的新型贮能装置。它在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航天航空和国防科技中具有重要和广阔的应用前景。现在商业化的超级电容器主要以活性炭作为电极材料,但由于活性炭导电性能较差,含有较多的不纯物,孔径分布不均匀,且大部分为微孔,限制了超级电容器的性能。碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）具有高导电性和独特的结构适合作为超级电容器电极材料,且有不少报导其具有优良的电化学性能。而取向碳纳米管阵列（Aligned CarbonNanotube Arrays,ACNTAs）由于CNTs的独特的排列方式更加适合在超级电容器中的应用。本论文研究了制备ACNTAs的最优条件,并在金属基底上制备出ACNTAs,用制备的ACNTAs直接作为超级电容器电极,研究了其电化学性能。通过实验研究得到以下结论;1、采用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）法裂解酞菁铁（Iron（Ⅱ）Phthalocyanine,FePc）和C2H4在石英基底上制备出高约210μm的ACNTAs,制备的ACNTAs纯度高、晶化程度较好、具有高取向性。系统研究了反应温度、反应时间、气体的流量（H2、C2H4流量）对制备的ACNTAs的高度的影响,研究结果表明;800℃是裂解FePc和C2H4制备ACNTAs的最优温度;催化剂的活性可以保持较长的时间（60 min）;通入C2H4促进了ACNTAs的快速生长,最适合流量为50 cm3min-1;H2流量为40 cm3min-1时最有利于ACNTAs的生长。2、采用在Ar气氛下裂解FePc制备出一种树状ACNTAs,研究了这种特殊结构的生长过程,并解释了它的可能形成原因。3、采用裂解FePc和C2H4的方法直接在金属合金（Inconel 600）基底上只能制备出少量的无序缠绕型的CNTs。采用强酸（浓H2SO4或浓HNO3）浸泡后的Inconel 600作基底能够制备出几十微米高的ACNTAs,但在基底上分布不均匀。在Inconel 600上镀一层20 nm厚的Al2O3后作基底能够制备出高约150μm的ACNTAs。用表面活性剂（NaAOT）和硫代乙酰胺浸泡镀了20 nm厚的Al2O3的Inconel 600,然后用作基底能够制备出高约280μm的ACNTAs。4、采用在Inconel 600上制备的ACNTAs直接用作超级电容器的电极,用（Et）4NBF4+碳酸丙烯酯（Propylene Carbonate,PC）做电解液,研究了其电化学性能;即使在高扫速(1000 mV s-1)的情况下循环伏安（Cyclic Voltammetric,CV）曲线亦能保持对称的矩形形状,在1000 mV s-1扫速下的电容值为47 Fg-1,与1 mV s-1扫速下的电容值(83 F g-1)相比能保持57%,表明ACNTAs电极具有较好的倍率性能;用1000 mV s-1的扫速循环扫1000次以后电容值几乎没有衰减,说明ACNTAs电极的循环稳定性能较好;交流阻抗测试表明ACNTAs电极具有非常小的等效串联电阻（Equivalem Serial Resistor,ESR,0.55Ω）,证明直接在Inconel600基底上制备的ACNTAs与基底具有良好的接触,电解液能够快速的在ACNTAs之间的孔隙扩散;恒流充放电测试结果与CV测试结果基本相一致,在1 mA恒流充放电下,比能量可达28.8 Wh kg-1,平均比功率为1200 W kg-1。表明ACNTAs是一种非常有潜力的超级电容器电极材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 超级电容器的结构及工作原理
• 1.3 超级电容器的电极材料
• 1.3.1 金属氧化物
• 1.3.2 导电聚合物
• 1.3.3 碳基材料
• 1.4 本论文的主要研究目的和内容
• 1.5 本论文的创新之处
• 第2章 实验药品与方法及原理
• 2.1 实验主要药品和器材
• 2.2 实验装置和实验原理
• 2.2.1 制备ACNTAs的实验装置
• 2.2.2 实验原理
• 2.2.3 电化学测试体系
• 2.3 电化学测量技术简介
• 2.3.1 循环伏安法
• 2.3.2 恒流充放电技术
• 2.3.3 交流阻抗技术
• 2.4 电极材料测试方法
• 2.5 电极材料的表征手段
• 2.5.1 扫描电子显微镜
• 2.5.2 透射电子显微镜和高倍透射电镜
• 2.5.3 拉曼光谱
• 2.5.4 X射线能量分散谱
• 2.5.5 X射线光电子能谱
• 2.5.6 热重分析
• 2.5.7 孔径分布测试
• 2.6 电子束蒸发真空镀膜技术
• 第3章 裂解酞菁铁和乙烯制备取向碳纳米管阵列
• 3.1 概述
• 3.2 实验过程
• 3.3 制备的ACNTAs的表征
• 3.3.1 SEM表征
• 3.3.2 HRTEM表征
• 3.3.3 拉曼光谱表征
• 3.3.4 热重分析
• 3.3.5 XPS和EDS分析
• 3.4 温度的影响
• 3.5 反应时间的影响
• 2H₄流量的影响'>3.6 C₂H₄流量的影响
• 2流量的影响'>3.7 H₂流量的影响
• 3.8 本章小节
• 第4章 树状取向碳纳米管阵列的制备
• 4.1 概述
• 4.2 制备方法
• 4.3 制备的树状ACNTAs的表征
• 4.3.1 形貌表征
• 4.3.2 拉曼光谱表征
• 4.4 生长过程研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 金属基底上制备取向碳纳米管阵列及其电化学性能的研究
• 5.1 概述
• 5.2 制备过程
• 5.3 直接用Inconel 600作基底制备ACNTAs
• 5.4 Inconel 600经强酸处理后作基底制备ACNTAs
• 5.5 镀膜的Inconel 600作基底制备ACNTAs
• 5.5.1 形貌表征
• 2O₃层的作用机理探讨'>5.5.2 Al₂O₃层的作用机理探讨
• 5.5.3 用硫代乙酰胺处理Inconel 600后作基底制备ACNTAs
• 5.5.4 ACNTAs电极的电化学性质
• 5.5.5 ACNTAs电极的理论比电容值计算
• 5.6 本章小节
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果