碳基膜的可控组装及电容性质的应用研究

发布时间：2020-11-13 14:43

　　 由纳米碳材料组装而成的二维大面积薄膜在能源存储、分离过滤、环境修复等众多领域占有重要地位,因此世界各国都在努力开发制备大面积连续性功能化薄膜的有效方法。宏观薄膜不仅能够呈现单体不能实现的集体效应,同时也有利于实现在技术方面的应用。传统湿法制备碳膜需外力驱动,纳米颗粒堆积不够致密,有序度低;CVD法,成膜质量优异,但反应条件苛刻、能耗高。为此,本论文发展了一种模拟生物体主动聚集的金属诱导去氧法制备大面积柔性碳膜,成功组装的案例包括零维碳量子点,一维碳纳米管,二维石墨烯和三维碳球等,验证了该法具有广泛的普适性。本论文首先选取物理化学性能优异的CNT为建筑单元,以金属诱导去氧法构建致密有序的大面积柔性CNT膜。膜的厚度、面积和形态可以使用生长参数来调节。与真空过滤制备法相比,自组装制备的CNT膜致密有序,导电性能好,可抗弯曲疲劳性。为了扩大金属去氧诱导法的适用范围,研究中还使用了碳点、碳素墨水和碳球做结构单元,同样成功组装相应的碳膜。在此基础上,我们提出了双电层理论解释金属诱导自聚集成膜现象。由于CNTs薄膜集合了优异的力学性质、导电性和表界面效应,因此是加工宏观柔性能源化学器件的理想电极材料。例如以CNT膜为电极材料的超级电容器,将具有适中的能量密度和较高的功率密度,优异的抗弯曲疲劳性和持久的循环寿命。因此本论文以碳布支撑的CNT膜做柔性电极,H3PO4/PVA做固态电解质和隔膜,组装全固态柔性超级电容器。在1A.g-f电流密度下,Fm=26.8F.g-1,FA=3.4mF.cm-2,E=3.5Wh.kg-1,P=28.1kW kg-1.5000 次循环电容仍能保持 92%,倍率性能优异。鉴于CNT兼具导电性和电容性,组装无外加集流器的超薄超级电容器,在1A.g-1电流密度下,E=0.58 mWh cm-3,P=0.39W cm-3,在超长循环(15000圈)中仍可维持94%,弯曲5000次仍在90%以上。串联四个超薄电容器,可点亮一盏2V LED灯工作。应用混合动力汽车等领域的超级电容器,大能量,长寿命、高功率和优良稳定性仍然是不断研究的方向。目前研究焦点集中在,保持高功率的前提下,解决超级电容器续航能力不足和使用寿命短的问题。通常的做法是引入高能量密度的赝电容活性材料,和循环性能好的双电层材料相结合,提高器件的能量密度和使用寿命。因此,本文基于双电层活性材料CNT具有优良的导电性和循环稳定性,和易变价金属氧化物具有较高电荷存储能力,设计复合型电极材料,以组装高效稳定的超级电容器。本论文首先引入高电容NiCo02,在CNT导电多孔网表面原位生长有序片层NiCoO2,此复合电极性能超越任意单一组分电极。当I=5m A.cm-2时,NiCoO2@CNT@NF,NiCoO2@NF,CNT@NF三电极的FA分别为3.3m F.cm-2,1.2m F.cm-2,0.6m F.cm-2。组装的 NiCo02@CNT@NF//CNT@NF 不对称超级电容器,E=77μWh cm-3,P=40 W.cm-3,在同类电容器中性能优越。Co3O4体系也同样证明,CNT与Co3O4具有良好的协同效应,电化学性能比任意单一组分都优越。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TM53
【部分图文】：

图１－１碳球的形貌??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｍｏｑ）ｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｓｐｈｅｒｅ??方法??具有很多优点，石墨烯、碳纳米管、碳量在应用过程中存在颗粒小，回收困难，必要将纳米碳材料组装成宏观块材。这，同时也有利于实现在技术方面的应纳米形式存在的材料不能满足实际应材料的宏观组装和不同功能的集成是解展一维纳米材料的组装和功能集成的基料的组装方法主要分为物理方法和化学空过滤法、旋涂法、真空蒸发法等；化

接收器以一定的速率左右转动和滚动，以便形成大面积均匀、多孔薄膜。在典型??的静电纺丝过程中，施加的电压约为１００－５００?ｋＶ．ｍ＇喷嘴到金属接收器的距离??为１０－２５?ｃｍ＇如图１－２所示。??洗器＼?．??＇山??聚缔溶液???＾?’?娜ｇ??Ｉ??／聚合物拉伸??顧??ｆ??＊＝■??接■目标物??图１－２静电纺丝基本装置??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ａｐｐａｒａｔｕｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ?ｓｐｉｎｎｉｎｇ??真空过滤法｜２７１：通过真空过滤装置，利用大气压差克服阻力，抽滤去除溶剂，??在有机滤膜的表面形成一层碳纳米薄膜，去除支撑滤膜后，将纳米碳薄膜转移到??各种基底上，便于下一步应用。真空抽滤技术成膜具有成膜均匀、利于控制薄膜??厚度等特点，但是抽滤成膜的面积会受到过滤装置尺寸的限制，因此不适合大面??积制膜。??，：圓爹－＿??图１－３由多壁碳纳米管组成的机械性能良好的“巴基纸”薄膜材料??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?＂Ｂｕｃｋｙｐａｐｅｒ１５?Ｆｉｌｍ?ｉｓ?ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ??溶胶－凝胶法（旋涂法）：将金属醇盐或无机盐作为前驱体，在溶剂中分散??形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，生成物聚集成约几纳米的颗??粒

接收器以一定的速率左右转动和滚动，以便形成大面积均匀、多孔薄膜。在典型??的静电纺丝过程中，施加的电压约为１００－５００?ｋＶ．ｍ＇喷嘴到金属接收器的距离??为１０－２５?ｃｍ＇如图１－２所示。??洗器＼?．??＇山??聚缔溶液???＾?’?娜ｇ??Ｉ??／聚合物拉伸??顧??ｆ??＊＝■??接■目标物??图１－２静电纺丝基本装置??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ａｐｐａｒａｔｕｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ?ｓｐｉｎｎｉｎｇ??真空过滤法｜２７１：通过真空过滤装置，利用大气压差克服阻力，抽滤去除溶剂，??在有机滤膜的表面形成一层碳纳米薄膜，去除支撑滤膜后，将纳米碳薄膜转移到??各种基底上，便于下一步应用。真空抽滤技术成膜具有成膜均匀、利于控制薄膜??厚度等特点，但是抽滤成膜的面积会受到过滤装置尺寸的限制，因此不适合大面??积制膜。??，：圓爹－＿??图１－３由多壁碳纳米管组成的机械性能良好的“巴基纸”薄膜材料??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?＂Ｂｕｃｋｙｐａｐｅｒ１５?Ｆｉｌｍ?ｉｓ?ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ??溶胶－凝胶法（旋涂法）：将金属醇盐或无机盐作为前驱体，在溶剂中分散??形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，生成物聚集成约几纳米的颗??粒
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本文编号：2882302