氧化錳-碳納米管復合超級電容器電極的制備及應用研究.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,在應用于高性能超級電容器時表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。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電容材料復合,可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢,從而得到低成本、高性能的復合電極材料,將是今后超級電容器發(fā)展的一個方向。本工作研究了碳納米管陣列的可控生長和超電容性能。重點進行了氧化錳/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電容器中的應用

2、研究。具體內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　 1.本研究利用低壓化學氣相沉積技術(shù)(LP-CVD)在硅片表面可控生長碳納米管陣列。研究發(fā)現(xiàn)可以通過改變催化劑膜的厚度來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條件(諸如氣氛和局部環(huán)境)都對垂直密排的碳納米管陣列的形成起到至關(guān)重要的作用?？梢酝ㄟ^改變生長時間來控制碳納米管陣列的長度。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。與生長在Ti-Si基底上的隨機排布的碳納米管相比,生長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,通過簡單的濺射或電沉積技術(shù),碳納米管陣列電極可為進一步制備碳納米管陣列/過渡金屬氧化物復合電極提供較好的

4、平臺,從而達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)來制備超級電容器電極。在電極制備過程中,首先采用化學氣相沉積法在Ti-Si基底上直接生長隨機排布的碳納米管叢。再以KMnO4水溶液為電解液,利用恒電勢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)易于進入活性物質(zhì)內(nèi)部。同時,碳納米管則有助

5、于提高電極材料的電子電導率。氧化錳擔載質(zhì)量為100μg cm-2的氧化錳/碳納米管/Ti-Si復合電極,在10 A g-1充放電流密度下,其最大比電容達400 F g-1,同時具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性,表明它作為超級電容器電極具有較高的潛在應用價值。相關(guān)電化學研究表明,增大氧化錳的擔載質(zhì)量將導致氧化錳/碳納米管/Ti-Si復合電極的比電容顯著降低。
　　 3.本研究進一步在以泡沫鎳為集流體的碳納米管上電沉積氧化錳來制備超級電容器電極

6、。在電極制備過程中,首先采用化學氣相沉積法在泡沫鎳基底上直接生長隨機排布的碳納米管。再以KMnO4水溶液為電解液,利用恒電勢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,碳納米管則有助于提高電極材料的電子電導率。氧化錳擔載質(zhì)量為100μg cm-2的氧化錳/碳納米管/泡沫鎳復合電極,在5 A g-1充放電流密度下,其最