面向微超級電容的碳基微納分級結(jié)構(gòu)制備工藝研究.pdf

1、碳基微納分級結(jié)構(gòu)不僅具有良好的導(dǎo)電性和電化學(xué)穩(wěn)定性，還具有表面積大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點。但是它們的制備大多存在工藝繁瑣、成本高、重復(fù)性差等缺陷。因此本文提出了三種操作簡單且低成本的碳基微納分級結(jié)構(gòu)制備工藝，制備了新型碳基微納分級結(jié)構(gòu)，并克服了上述工藝缺陷。應(yīng)用碳基微納分級結(jié)構(gòu)制備微超級電容電極和電容器原型，并采用循環(huán)伏安法、恒電流充放電法和交流阻抗法等對其電化學(xué)性能進行表征。本文的主要內(nèi)容包括：
　　1、提出一種獨特的碳基微納分級結(jié)構(gòu)

2、制造方法。用碳納米管（CNTs）修飾SU-8光刻膠和顯影液，通過光刻工藝結(jié)合熱解工藝制備了 C-MEMS/NEMS結(jié)構(gòu)（即 CNTs/C-MEMS）。采用電化學(xué)沉積工藝在所得的碳結(jié)構(gòu)上集成二氧化錳（MnO2）薄膜，通過控制沉積參數(shù)，獲得不同形貌的 MnO2/CNTs/C-MEMS復(fù)合結(jié)構(gòu)。與 C-MEMS、CNTs/C-MEMS和MnO2/C-MEMS三種微電極相比，MnO2/CNTs/C-MEMS微電極具有最優(yōu)異的電化學(xué)性能，這是由

3、CNTs和MnO2的協(xié)同作用所實現(xiàn)。MnO2/CNTs/C-MEMS復(fù)合電極的面積比容量在0.5mA cm-2時可達到238 mF cm-2，循環(huán)測試6000次后容量可保持為初始容量的81.8％。
　　2、提出基于納米壓印-氧等離子體刻蝕-熱解的碳微納分級結(jié)構(gòu)制備工藝。通過熱熔工藝制得半球結(jié)構(gòu)，并制備 PDMS半球模板，將其用于納米壓印工藝中，獲得大批量的 SU-8光刻膠半球結(jié)構(gòu)。采用氧等離子體刻蝕所得光刻膠結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控刻蝕的時

4、間，得到了不同形貌的光刻膠微納分級結(jié)構(gòu)。再結(jié)合熱解工藝，選取合適的熱解參數(shù)，獲得碳微納分級結(jié)構(gòu)。利用電化學(xué)沉積工藝制備 MnO2/碳微納分級結(jié)構(gòu)，將其用作微超級電容電極時表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。當(dāng)掃描速度為5 mV s-1時，MnO2/碳微納復(fù)合電極的質(zhì)量比容量可達到337 F g-1。
　　3、提出對三維碳微結(jié)構(gòu)進行表面改性處理獲得碳微納分級結(jié)構(gòu)的工藝，基于所得結(jié)構(gòu)開發(fā)對稱型微超級電容器原型。經(jīng)過濕化學(xué)處理后碳微結(jié)構(gòu)表面被剝離形

5、成納米結(jié)構(gòu)，再將其置于還原性氣氛中退火處理，得到活性碳微納分級結(jié)構(gòu)。它具有比表面積大、導(dǎo)電性好、浸潤性好的優(yōu)點，將它用作微電極時具有大的面積比容量、良好的倍率性能和循環(huán)特性。由此開發(fā)的全固態(tài)柔性對稱型超級電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在0.31 mA cm-2時面積比容量可達222.05 mF cm-2，循環(huán)測試30000次后比容量為初始比容量的104%，彎曲和扭曲狀態(tài)對其電化學(xué)性能無影響。將三個柔性超級電容器串聯(lián)，可以點亮 LED燈泡

6、并持續(xù)數(shù)分鐘。對表面改性處理工藝進一步改進，在濕化學(xué)處理后對獲得的氧化碳微納分級結(jié)構(gòu)進行摻氮處理，并研究不同濃度摻氮前驅(qū)體對碳微電極性能的影響。氮原子的摻入使得含氮碳微納電極具有比活性碳微納電極更優(yōu)越的電化學(xué)性能，在1 mA cm-2時其面積比容量可達882.36mF cm-2，倍率和循環(huán)性能都很優(yōu)異?；诤嘉⒓{分級結(jié)構(gòu)的對稱型超級電容器原型在1mA cm-2時面積比容量可達402.92 mF cm-2，其能量密度和功率密度分別達到