碳材料/硅微通道板复合超级电容器及其场发射特性研究

发布时间：2022-04-27 20:37

　　近年来,碳材料成为储能、电催化、太阳能电池和场发射器件研究热点,特别是在超级电容器和场发射器件中应用研究越来越广泛。三维有序碳基复合材料组成的厚电极是高体积能量密度碳基超级电容器和大电流密度碳基场发射器件必备条件。本文利用半导体工艺、光辅助电化学刻蚀和无电镀镍工艺制备了 3D多孔有序宏孔导电网络（MECN）,合成了碳基复合材料/宏孔导电网络厚电极,开展了其在超级电容器及其场发射器件方面的研究工作。首先,本文采用半导体工艺,光辅助电化学刻蚀技术和液流无电镀镍技术制备了 MECN,由镍颗粒构成的5×5×250 μm通道阵列结构,壁厚1 μm,具有结构规整、有序、高深宽比和大比表面积的特点。后续以MECN作为3D框架基底制备了碳基复合材料。通过水热合成方法在MECN表面和孔壁沉积了碳微球,构成了 3D有序多孔碳微球厚电极,接下来,利用C与KMnO4反应制备了MnO2/C/MECN电极,在1 A/g时比容量达497 F/g。组装的MnO2/C/MECN||AC/Ni-foam混合超级电容器（锂离子超级电容器）在功率密度为4000 W/kg时能量密度达到0.50 mW h/cm3（55.5 Wh... 

【文章页数】：191 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 碳基复合材料介绍
    1.2 碳基复合材料超级电容器概述
        1.2.1 超级电容器概述
        1.2.2 超级电容器的分类和特点
        1.2.3 超级电容器中常见碳基复合材料研究前沿
        1.2.4 超级电容器的挑战和机遇
    1.3 碳基复合材料场发射概述
    1.4 宏多孔硅制备及其主要应用
    1.5 本论文研究的内容和意义
    本章参考文献
第二章 基于宏孔导电网络的电极制备及测试
    2.1 引言
    2.2 宏孔导电网络框架的制备
        2.2.1 无电镀镍的基本原理
        2.2.2 无电镀镍的工艺流程
        2.2.3 MECN的SEM和XRD表征
    2.3 基于MECN的碳基纳米复合材料的制备方法
        2.3.1 水热合成材料的基本机理
        2.3.2 溶剂热合成纳米材料的基本机理
        2.3.3 氮等离子体掺杂的基本机理
    2.4 电极材料的表征方法
    2.5 全电容的封装与测试方法
        2.5.1 超级电容器单电极的组装与测试方法
        2.5.2 混合超级电容器的封装与测试
    2.6 场发射器件的封装与测试方法
    2.7 本章小结
    本章参考文献
第三章 基于宏孔导电网络的MnO_2/C超级电容器研究
    3.1 基于宏孔导电网络的MnO_2/C单电极研究
        3.1.1 MnO_2/C复合材料超级电容器研究背景
        3.1.2 基于宏孔导电网络的MnO_2/C超级电容器电极的制备与表征
        3.1.3 MnO_2/C覆盖的宏孔导电网络电极的电化学特性
    3.2 基于三维宏孔导电网络的MnO_2/C混合纳米结构的混合超级电容器研究
        3.2.1 混合超级电容器的研究背景
        3.2.2 MnO_2/C/MECN复合材料工艺优化
        3.2.3 MnO_2/C/MECN与活性炭/Ni-foam组成的混合超级电容器测试
    3.3 本章小结
    本章参考文献
第四章 基于宏孔导电网络的同质纳米MnO_2/graphene超级电容器研究
    4.1 石墨烯覆盖宏孔导电网络的单电极研究
        4.1.1 石墨烯基复合材料超级电容器研究背景
        4.1.2 石墨烯微通道板电极的制备与表征
        4.1.3 石墨烯微通道板合成机理及工艺优化
    4.2 同质MnO_2/石墨烯覆盖宏孔导电网络的单电极研究
        4.2.1 同质MnO_2/覆盖石墨烯微通道板电极制备与表征
        4.2.2 同质MnO_2/覆盖石墨烯微通道板电极电化学测试
    4.3 同质MnO_2/石墨烯覆盖宏孔导电网络全电容研究
        4.3.1 石墨烯混合超级电容器的研究背景
        4.3.2 同质MnO_2/nanographene复合材料工艺优化
        4.3.3 同质MnO_2/nanographene复合材料电化学优化
        4.3.4 同质MnO_2/nanographene与活性炭组成的混合超级电容器测试
        4.3.5 其它2D材料电极测试
    4.4 本章小结
    本章参考文献
第五章 氮掺杂石墨烯微通道板场发射特性研究
    5.1 氮掺杂石墨烯场发射特性研究背景
    5.2 石墨烯微通道板场发射特性研究
        5.2.1 石墨烯微通道板场发射
        5.2.2 石墨烯微通道板场发射机理分析
    5.3 氮掺杂石墨烯微通道板场发射研究
        5.3.1 氮掺杂石墨烯微通道板制备与表征
        5.3.2 氮掺杂石墨烯微通道板场发射特性研究
        5.3.3 氮掺杂石墨烯微通道板场发射机理分析
    5.4 本章小结
    本章参考文献
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
Ⅰ. 攻读学位期间发表的学术论文
Ⅱ. 攻读学位期间申请的专利
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Hollow Carbon Microspheres/MnO2 Nanosheets Composites:Hydrothermal Synthesis and Electrochemical Behaviors[J]. Hui-li Fan,Fen Ran,Xuan-xuan Zhang,Hai-ming Song,Xiao-qin Niu,Ling-bin Kong,Long Kang.  Nano-Micro Letters. 2015(01)
[2]孔碳材料制备的研究进展[J]. 刘应亮,谢春林.  暨南大学学报(自然科学与医学版). 2011(03)
[3]Influence of etching current density on the morphology of macroporous silicon arrays by photo-electrochemical etching[J]. 王国政,陈立,秦旭磊,王蓟,王洋,付申成,端木庆铎.  半导体学报. 2010(07)
[4]水热法制备薄膜技术[J]. 黄晖,苗鸿雁,罗宏杰,姚熹.  硅酸盐通报. 2002(06)
[5]溶剂热合成纳米功能材料研究进展[J]. 王敦青.  德州学院学报(自然科学版). 2002(02)
[6]化学镀镍液的长寿命技术[J]. 李宁,黎德育,翟淑芳,邓娟利.  电镀与精饰. 2001(01)
[7]镁合金直接化学镀镍的初始沉积机制[J]. 向阳辉,胡文彬,沈彬,赵昌正,丁文江.  上海交通大学学报. 2000(12)
[8]水热法的应用与发展[J]. 施尔畏,夏长泰,王步国,仲维卓.  无机材料学报. 1996(02)
[9]NaOH（KOH）-SiO2-CH2OHCH2OH体系中全硅方钠石的合成[J]. 徐家宁,冯守华,徐如人.  吉林大学自然科学学报. 1990(01)



本文编号：3649132