碳微米管材料之制作及在超级电容器之应用

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1、碳微米管材料之制作及在超级电容器之应用第一章绪论随着经济的不断发展，能源问题已成为人们关注的焦点。提高能源利用率及发展绿色能源已成为21世纪人类的重要任务。新型绿色能量存储装置-超级电容器由于具有较高的功率密度和充放电效率以及优良的循环稳定性等特点得到了广泛研究，然而超级电容器的能量密度远低于二次电池，因此制备出具备高能量密度、高电容值的超级电容器成为当前科学领域的一大挑战。电极材料是影响超级电容器电容性能的关键因素，碳材料因具备低成本、高电导率、高比表面积、发达孔隙结构等特点已被广泛用于超级电容器电极材料研究，目前常用于超级电容器中的碳材料包括

2、零维的碳球、一维的碳纳米管、二维的石墨烯及三维的碳复合材料等。对碳材料的结构进行调控来提高超级电容器的性能是一条被普遍采用的技术途径，具有重要的理论与应用价值。管状碳材料包括碳纳米管及碳微米管，由于其特殊的管状结构有利于电解液离子的传输，尤其是较大管径的碳微米管具有可填充客体分子这一优势，被视为超级电容器的良好电极材料。除了使用单一结构外，研究者通过活化造孔、制备三维碳碳复合结构增加碳材料的比表面积来提高电极材料的电容性能，或与具有较高能量密度的金属氧化物复合来提高材料的电容值和能量密度。1.1超级电容器1.1.1超级电容器简介当今，在超级电容器

3、的产业化上，美国、日本、俄罗斯的企业几乎占据了整个超级电容器市场，其中，美国的Max2/g，远低于活性炭的1000-3000m2/g[171,18]及活化碳纤维的2000m2/g[172-173]。因此在一定的科学和技术水平上对材料进行造孔是一种必要的技术手段。目前较为简单且广泛运用的造孔方法包括物理活化法[133,141]、化学活化法[133,174]和化学物理活化法[137]。例如，以CO2为活化剂对多壁碳纳米管进行活化造孔，于活化温度为900℃下所得到的多孔碳纳米管的比表面积可达到406m2/g。Zuo-LongYu[175]等用KOH活化

4、碳纳米管制备出比表面积为510m2/g的多孔碳纳米管。F.Be′guin等人采用KOH或NaOH为活化试剂于不同活化温度下制备出不同孔尺寸结构的多孔碳纳米管，所得到的多孔碳纳米管的最大比表面积可达1670m2/g。然而通过此方法制备出的多孔碳纳米管与活性炭对比成本较高，因为活性碳材料可以利用天然生物质制备而得，并且碳纳米管管径较小，因此限制了其在药物传输和能源存储等领域的应用。碳微米管的管径较大，可用于填充客体材料，因而在缓释药物、锂离子电池、氢存储和超级电容器等方面展现了独到之处。目前碳微米管的制备方法主要是人工合成的方法，包括模板

5、法和化学气相沉积法[118-120]等，但是这类方法无法实现廉价及规模化生产限制了碳微米这类材料的发展。本课题组提出了利用具有特殊管状结构的天然生物质杨絮、柳絮和梧桐絮通过简单的高温碳化法制备出碳微米管[121,125]。由于碳微米管的比表面积较低，作为超级电容器电极材料时比电容较低，为了进一步提高碳微米管的比表面积和电容性能，本章我们用ZnCl2为活化剂活化碳微米管制备出高比表面积的多孔碳微米管，且研究了不同的活化温度对于材料结构和性能的影响。结果表明所得到的多孔碳微米管的比表面积可达到1200-1500m2/g，总的孔容为0.45~0.56c

6、m3/g。我们将所得到的多孔碳微米管作为超级电容器的电极材料，采用两电极测试装置，测得其于电流密度为2A/g下的比电容值为206F/g，能量密度可达到7.5entalState[J].SchizophreniaResearch,2008,99(1-3),38-47.[3]StollerMD,RuoffRS.Bestpracticemethodsfordetermininganelectrodematerial'sperformanceforultracapacitors[J].EnergyEnvironSci,2010,3(9),1294

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8、NG,etal.Symmetricredoxsupercapacitoranceof500Fasymmetrichybridadvanc