碳基膜的可控組裝及電容性質(zhì)的應(yīng)用研究.pdf

1、由納米碳材料組裝而成的二維大面積薄膜在能源存儲(chǔ)、分離過濾、環(huán)境修復(fù)等眾多領(lǐng)域占有重要地位，因此世界各國都在努力開發(fā)制備大面積連續(xù)性功能化薄膜的有效方法。宏觀薄膜不僅能夠呈現(xiàn)單體不能實(shí)現(xiàn)的集體效應(yīng)，同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)在技術(shù)方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)濕法制備碳膜需外力驅(qū)動(dòng)，納米顆粒堆積不夠致密，有序度低;CVD法，成膜質(zhì)量?jī)?yōu)異，但反應(yīng)條件苛刻、能耗高。為此，本論文發(fā)展了一種模擬生物體主動(dòng)聚集的金屬誘導(dǎo)去氧法制備大面積柔性碳膜，成功組裝的案例包括零維碳量

2、子點(diǎn)，一維碳納米管，二維石墨烯和三維碳球等，驗(yàn)證了該法具有廣泛的普適性。
　　本論文首先選取物理化學(xué)性能優(yōu)異的CNT為建筑單元，以金屬誘導(dǎo)去氧法構(gòu)建致密有序的大面積柔性CNT膜。膜的厚度、面積和形態(tài)可以使用生長(zhǎng)參數(shù)來調(diào)節(jié)。與真空過濾制備法相比，自組裝制備的CNT膜致密有序，導(dǎo)電性能好，可抗彎曲疲勞性。為了擴(kuò)大金屬去氧誘導(dǎo)法的適用范圍，研究中還使用了碳點(diǎn)、碳素墨水和碳球做結(jié)構(gòu)單元，同樣成功組裝相應(yīng)的碳膜。在此基礎(chǔ)上，我們提出了雙電層

3、理論解釋金屬誘導(dǎo)自聚集成膜現(xiàn)象。
　　由于CNTs薄膜集合了優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性和表界面效應(yīng)，因此是加工宏觀柔性能源化學(xué)器件的理想電極材料。例如以CNT膜為電極材料的超級(jí)電容器，將具有適中的能量密度和較高的功率密度，優(yōu)異的抗彎曲疲勞性和持久的循環(huán)壽命。因此本論文以碳布支撐的CNT膜做柔性電極，H3PO4/PVA做固態(tài)電解質(zhì)和隔膜，組裝全固態(tài)柔性超級(jí)電容器。在1A.g-1電流密度下，F(xiàn)m=26.8F.g-1，F(xiàn)A=3.4m F.c

4、m-2，E=3.5Wh.kg-1，P=28.1kW kg-1,5000次循環(huán)電容仍能保持92％倍率性能優(yōu)異。鑒于CNT兼具導(dǎo)電性和電容性，組裝無外加集流器的超薄超級(jí)電容器，在1A.g-1電流密度下，E=0.58mWh cm-3，P=0.39W cm-3，在超長(zhǎng)循環(huán)（15000圈）中仍可維持94％，彎曲5000次仍在90％以上。串聯(lián)四個(gè)超薄電容器，可點(diǎn)亮一盞2V LED燈工作。
　　應(yīng)用混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域的超級(jí)電容器，大能量，長(zhǎng)壽命

5、、高功率和優(yōu)良穩(wěn)定性仍然是不斷研究的方向。目前研究焦點(diǎn)集中在，保持高功率的前提下，解決超級(jí)電容器續(xù)航能力不足和使用壽命短的問題。通常的做法是引入高能量密度的贗電容活性材料，和循環(huán)性能好的雙電層材料相結(jié)合，提高器件的能量密度和使用壽命。因此，本文基于雙電層活性材料CNT具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，和易變價(jià)金屬氧化物具有較高電荷存儲(chǔ)能力，設(shè)計(jì)復(fù)合型電極材料，以組裝高效穩(wěn)定的超級(jí)電容器。本論文首先引入高電容NiCoO2，在CNT導(dǎo)電多孔網(wǎng)表

6、面原位生長(zhǎng)有序片層NiCoO2，此復(fù)合電極性能超越任意單一組分電極。當(dāng)I=5m A.cm-2時(shí)，NiCoO2@CNT@NF，NiCoO2@NF，CNT@NF三電極的FA分別為3.3m F.cm-2，1.2m F.cm-2,0.6m F.cm-2。組裝的NiCoO2@CNT@NF//CNT@NF不對(duì)稱超級(jí)電容器，E=77μWh cm-3，P=40W.cm-3，在同類電容器中性能優(yōu)越。Co3O4體系也同樣證明，CNT與Co3O4具有良好的協(xié)