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碳纳米管在超级电容器中的应用研究

作　者: 王艳芝
导　师: 方禹之；何品刚
学　校: 华东师范大学
专　业: 分析化学
关键词: 超级电容器碳纳米管直立碳纳米管二氧化锰聚硫堇
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着社会经济的发展,人们对于绿色能源和生态环境越来越关注。超级电容器作为一种新型的储能器件,其生产所用的材料普遍为绿色环保,具有无可替代的优越性。美国《探索》杂志2007年1月号,将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一,认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展,并将在某些领域取代传统蓄电池。超级电容器又称超大容量电容器、电化学电容器或双电层电容器（英文名称为EDLC,即Electric Double Layer Capacitors）,是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装置,具有电阻很小、寿命超长、安全可靠、储能巨大、充电快速的特点。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件,其批量生产不过几年时间。自面市以来,全球需求量快速扩大,已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力,被世界各国所广泛关注。电极材料是超级电容器的重要组成部分,是影响超级电容器性能和生产成本的关键因素,因此研究开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重要内容。常用的电极材料有多孔炭材料、金属氧化物和导电聚合物。碳纳米管具有独特的中空结构,良好的导电性,大的比表面积,适合电解质离子迁移的孔隙（孔径一般>2nm）,以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点,决定其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性和频率响应特性,因而被认为是理想的超级电容器电极材料,近年来成为研究热点。碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要分为如下几个部分:（1）碳纳米管直接用作超级电容器电极材料;（2）碳纳米管活化后用作超级电容器电极材料;（3）碳纳米管与金属氧化物复合用作超级电容器电极材料;（4）碳纳米管与导电聚合物复合用作超级电容器电极材料。本论文主要开展了化学气相沉积制备的高度定向碳纳米管阵列用作超级电容器电极材料的研究。同时制备了碳纳米管的复合电极材料,对其电化学性能进行了研究。将碳纳米管与准电容材料（金属氧化物或导电聚合物）复合,发挥各自的优势,弥补不足,并产生协同效应,从而得到低成本、高性能的复合电极材料,是本论文的目的。本论文分为三章:第一章绪论介绍了超级电容器的发展历程、工作原理、测试方法、结构特点及其应用范围等。超级电容器的电极材料包括碳电极材料,导电聚合物电极材料和金属氧化物电极材料,并详细介绍了国内外电极材料最新研究发展动态。碳纳米管作为理想的超级电容器电极材料,阐述了碳纳米管主要制备方法、结构、分类及其独特的物理化学特性,并综述了碳纳米管应用于超级电容器电极材料的概况及最新发展。第二章基于聚硫堇法拉第电容的碳纳米管电容器研究通过使用循环伏安（cyclic voltammetry,CV）扫描技术,把硫堇分子电聚合到不同的碳纳米管（carbon nanotubes,CNTs）基底上,包括多壁碳纳米管（MWCNTs和MWCNTs-COOH）和单壁碳纳米管（SWCNTs-COOH）。电聚合硫堇分别在硫堇—乙酸和硫堇—乙腈溶液中进行,通过比较可得,在硫堇—乙酸溶液中制得的聚硫堇—CNTs复合材料具有更大的电容值。实验中,通过循环伏安法,恒电流充放电和紫外可见光谱等电化学技术对所制得的聚硫堇碳纳米管复合物进行了电化学特性以及其赝电容功效表征与测试。结果表明,由于聚硫堇具有高度可逆的电化学氧化还原性质,使得复合材料兼具聚硫堇的法拉第电容和CNTs的双电层电容,显著增加了CNTs的原有电容,尤其是对于那些两端打开的碳纳米管。第三章定向碳纳米管阵列/聚吡咯纳米复合材料的超级电容器应用研究以直立碳纳米管为基底,以pH=6.0的0.1mol/L Na₂SO₄为底液,采用电化学沉积法在0.2mol/L Mn（CH₃COO）₂溶液中制备了直立碳纳米管与二氧化锰复合材料。SEM测试结果表明复合材料表面呈现多孔状结构。通过循环伏安,恒流充放电,交流阻抗等电化学方法对复合材料修饰电极进行电容性质测试。实验结果表明,在1mol/L KCl溶液中,0-0.6V（vs.银/氯化银参比）电位窗口内此复合材料表现出优良的超电容性能。直立碳纳米管电极的比电容为16F/g,在碳纳米管表面沉积上MnO₂修饰层后,此复合材料电极的比电容增大至330F/g,比电容量大幅提升近20倍。同时扫描200圈后,直立碳纳米管与二氧化锰复合材料的循环伏安曲线变化很小,说明其具有相当好的循环寿命和电容稳定性能。

全文目录

中文摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-39
  1.超级电容器  13-16
    1.1 超级电容器发展简史  13
    1.2 超级电容器基本原理及结构  13-15
    1.3 超级电容器应用  15-16
  2.超级电容器电极材料研究现状  16-20
    2.1 碳电极材料  16-18
    2.2 金属氧化物电极材料  18-19
    2.3 导电聚合物电极材料  19-20
  3.超级电容器电化学性能测试方法  20-24
    3.1 循环伏安测试  20-22
    3.2 恒流充放电测试  22-23
    3.3 交流阻抗测试  23-24
  4.碳纳米管在超级电容器中的应用  24-31
    4.1 碳纳米管的结构  24-25
    4.2 碳纳米管的制备  25-27
    4.3 碳纳米管的性质  27-28
    4.4 定向碳纳米管阵列的独特性质  28-29
    4.5 碳纳米管在超级电容器中的应用  29-31
  5.本论文的目的和意义  31-32
  参考文献  32-39
第二章基于聚硫堇和碳纳米管复合材料的超级电容器研究  39-49
  1.引言  39-40
  2.实验部分  40-41
    2.1 试剂和仪器  40
    2.2 硫堇电聚合到各种碳纳米管电极表面  40-41
    2.3 聚硫堇-CNTs复合物表征  41
  3.结果与讨论  41-47
    3.1 聚硫堇修饰碳纳米管额电容性质研究-循环伏安法  41-44
    3.2 聚硫堇修饰碳纳米管额电容性质研究-恒流充放电法  44-45
    3.3 SEM,FTIR以及紫外可见光谱法表征  45-47
  4.结论  47-48
  参考文献  48-49
第三章 MnO2电沉积直立碳纳米管阵列复合材料的超级电容器性质的研究  49-61
  1.引言  49-50
  2.实验部分  50-51
    2.1 试剂和仪器  50
    2.2 ACNT电极的活化  50
    2.3 ACNT/MnO2复合材料修饰电极的制备  50-51
  3.结果与讨论  51-59
    3.1 ACNT/MnO2复合材料的形貌表征  51-52
    3.2 定向直立碳纳米管的活化  52-53
    3.3 ACNT/MnO2复合材料修饰电极超级电容性能分析  53-56
      3.3.1 循环伏安分析  53-56
      3.3.2 交流阻抗分析  56
    3.4 制备条件对ACNT/MnO2复合材料电容性质的影响  56-59
  4.结论  59
  参考文献  59-61
硕士研究生期间发表的和待发表的论文  61-62
致谢  62

碳纳米管在超级电容器中的应用研究

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