面向微超级电容的碳基微纳分级结构制备工艺研究
本文选题：碳基微纳分级结构 切入点：微电极 出处：《华中科技大学》2015年博士论文
【摘要】：碳基微纳分级结构不仅具有良好的导电性和电化学稳定性,还具有表面积大和结构稳定的优点。但是它们的制备大多存在工艺繁琐、成本高、重复性差等缺陷。因此本文提出了三种操作简单且低成本的碳基微纳分级结构制备工艺,制备了新型碳基微纳分级结构,并克服了上述工艺缺陷。应用碳基微纳分级结构制备微超级电容电极和电容器原型,并采用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法等对其电化学性能进行表征。本文的主要内容包括： 1、提出一种独特的碳基微纳分级结构制造方法。用碳纳米管(CNTs)修饰SU-8光刻胶和显影液,通过光刻工艺结合热解工艺制备了C-MEMS/NEMS结构(即CNTs/C-MEMS).采用电化学沉积工艺在所得的碳结构上集成二氧化锰(Mn02)薄膜,通过控制沉积参数,获得不同形貌的MnO2/CNTs/C-MEMS复合结构。与C-MEMS、CNTs/C-MEMS和MnO2/C-MEMS三种微电极相比,MnO2/CNTs/C-MEMS微电极具有最优异的电化学性能,这是由CNTs和MnO2的协同作用所实现。MnO2/CNTs/C-MEMS复合电极的面积比容量在0.5mA cm-2时可达到238mF cm-2,循环测试6000次后容量可保持为初始容量的81.8%。 2、提出基于纳米压印-氧等离子体刻蚀-热解的碳微纳分级结构制备工艺。通过热熔工艺制得半球结构,并制备PDMS半球模板,将其用于纳米压印工艺中,获得大批量的SU-8光刻胶半球结构。采用氧等离子体刻蚀所得光刻胶结构,通过调控刻蚀的时间,得到了不同形貌的光刻胶微纳分级结构。再结合热解工艺,选取合适的热解参数,获得碳微纳分级结构。利用电化学沉积工艺制备MnO2/碳微纳分级结构,将其用作微超级电容电极时表现出良好的电化学性能。当扫描速度为5mV s-1时,MnO2/碳微纳复合电极的质量比容量可达到337F g-1。 3、提出对三维碳微结构进行表面改性处理获得碳微纳分级结构的工艺,基于所得结构开发对称型微超级电容器原型。经过湿化学处理后碳微结构表面被剥离形成纳米结构,再将其置于还原性气氛中退火处理,得到活性碳微纳分级结构。它具有比表面积大、导电性好、浸润性好的优点,将它用作微电极时具有大的面积比容量、良好的倍率性能和循环特性。由此开发的全固态柔性对称型超级电容器表现出优异的电化学性能,在0.31mA cm-2时面积比容量可达222.05mF cm-2,循环测试30000次后比容量为初始比容量的104%,弯曲和扭曲状态对其电化学性能无影响。将三个柔性超级电容器串联,可以点亮LED灯泡并持续数分钟。对表面改性处理工艺进一步改进,在湿化学处理后对获得的氧化碳微纳分级结构进行掺氮处理,并研究不同浓度掺氮前驱体对碳微电极性能的影响。氮原子的掺入使得含氮碳微纳电极具有比活性碳微纳电极更优越的电化学性能,在1mA cm-2时其面积比容量可达882.36mF cm-2,倍率和循环性能都很优异。基于含氮碳微纳分级结构的对称型超级电容器原型在1mA cm-2时面积比容量可达402.92mF cm-2,其能量密度和功率密度分别达到0.946mW h cm-3和890mW cm-3。为探索所得含氮碳微纳分级结构作为集流体的性能制得MnO2/碳复合电极,其面积比容量可达4.126F cm-2。
[Abstract]:The carbon - based micro - nano hierarchical structure not only has good electrical conductivity and electrochemical stability , but also has the advantages of large surface area and stable structure .
The carbon nanotubes ( CNTs ) are used to modify SU - 8 photoresist and developing solution . The C - MEMS / NEMS structure ( CNTs / C - MEMS ) is prepared by means of photoetching process combined with pyrolysis technology . The MnO2 / CNTs / C - MEMS composite structure has the most excellent electrochemical performance by controlling the deposition parameters . The area ratio of MnO2 / CNTs / C - MEMS composite electrode can reach 238mF cm - 2 when the capacity is 0.5mA cm - 2 , and the capacity can be kept as 81.8 % of the initial capacity after 6000 cycles .
2 . The preparation process of nano - imprint - oxygen plasma etching - pyrolysis carbon micro - nano - structure was proposed . The semi - spherical structure was prepared by hot - melt process , and the semi - spherical template of PDMS was prepared . The structure of photoresist with different morphology was obtained by using oxygen plasma etching .
3 . The process of obtaining carbon micro - nano - structure by surface modification of three - dimensional carbon microstructure was proposed . The structure was developed based on the structure . The surface of carbon microstructure was stripped to form nano - structure after wet chemical treatment .
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TM53
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，本文编号：1705146
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