氧化錳-碳納米管復(fù)合超級(jí)電容器電極的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、具有較高的比電容、較高的速率容量、較優(yōu)的循環(huán)性能的一維納米材料,在應(yīng)用于高性能超級(jí)電容器時(shí)表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。單純的碳納米管由于比表面積小,比容量偏低。碳納米管與金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏融I電容材料復(fù)合,可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而得到低成本、高性能的復(fù)合電極材料,將是今后超級(jí)電容器發(fā)展的一個(gè)方向。本工作研究了碳納米管陣列的可控生長(zhǎng)和超電容性能。重點(diǎn)進(jìn)行了氧化錳/碳納米管Ti-Si電極、氧化錳,=碳納米管/泡沫鎳電極的制備和在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

2、研究。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 1.本研究利用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)(LP-CVD)在硅片表面可控生長(zhǎng)碳納米管陣列。研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變催化劑膜的厚度來(lái)控制碳納米管的管徑和石墨烯層數(shù)。催化劑顆粒的密度和碳納米管的生長(zhǎng)條件(諸如氣氛和局部環(huán)境)都對(duì)垂直密排的碳納米管陣列的形成起到至關(guān)重要的作用。可以通過(guò)改變生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)控制碳納米管陣列的長(zhǎng)度。此外,本研究采用0.5 M Na2SO4水溶液作為非腐蝕性的電解質(zhì)溶液,考察生長(zhǎng)在不同

3、集流體上并具有不同形貌的碳納米管陣列的超電容性能。與生長(zhǎng)在Ti-Si基底上的隨機(jī)排布的碳納米管相比,生長(zhǎng)在同種集流體上的垂直密排的碳納米管陣列具有較高的電容。此外,與Ti-Si基底相比,采用泡沫鎳作為集流體可以使活性物質(zhì)得到更好的利用。采用這種簡(jiǎn)單、低成本的方法制備的碳納米管陣列電極在大范圍掃速下均表現(xiàn)出穩(wěn)定、可持續(xù)的電容行為。而且,通過(guò)簡(jiǎn)單的濺射或電沉積技術(shù),碳納米管陣列電極可為進(jìn)一步制備碳納米管陣列/過(guò)渡金屬氧化物復(fù)合電極提供較好的

4、平臺(tái),從而達(dá)到提高器件的超電容性能的目的。
　　 2.本研究利用陰極電沉積技術(shù)在碳納米管上包覆氧化錳(MnOx)來(lái)制備超級(jí)電容器電極。在電極制備過(guò)程中,首先采用化學(xué)氣相沉積法在Ti-Si基底上直接生長(zhǎng)隨機(jī)排布的碳納米管叢。再以KMnO4水溶液為電解液,利用恒電勢(shì)法在碳納米管表面陰極電沉積氧化錳薄膜。以此方法制備的氧化錳/碳納米管復(fù)合電極,其電極材料具有高度多孔性、纖維狀的微結(jié)構(gòu),使電解質(zhì)易于進(jìn)入活性物質(zhì)內(nèi)部。同時(shí),碳納米管則有助

5、于提高電極材料的電子電導(dǎo)率。氧化錳擔(dān)載質(zhì)量為100μg cm-2的氧化錳/碳納米管/Ti-Si復(fù)合電極,在10 A g-1充放電流密度下,其最大比電容達(dá)400 F g-1,同時(shí)具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性,表明它作為超級(jí)電容器電極具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)電化學(xué)研究表明,增大氧化錳的擔(dān)載質(zhì)量將導(dǎo)致氧化錳/碳納米管/Ti-Si復(fù)合電極的比電容顯著降低。
　　 3.本研究進(jìn)一步在以泡沫鎳為集流體的碳納米管上電沉積氧化錳來(lái)制備超級(jí)電容器電極

6、。在電極制備過(guò)程中,首先采用化學(xué)氣相沉積法在泡沫鎳基底上直接生長(zhǎng)隨機(jī)排布的碳納米管。再以KMnO4水溶液為電解液,利用恒電勢(shì)法在碳納米管表面陰極電沉積氧化錳薄膜。以此方法制備的氧化錳/碳納米管/泡沫鎳復(fù)合電極,其電極材料具有三維立體、多層次的多孔性微結(jié)構(gòu),有利于電解質(zhì)滲透和離子交換。同時(shí),碳納米管則有助于提高電極材料的電子電導(dǎo)率。氧化錳擔(dān)載質(zhì)量為100μg cm-2的氧化錳/碳納米管/泡沫鎳復(fù)合電極,在5 A g-1充放電流密度下,其最