碳納米管/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)電容行為
發(fā)布時間：2021-10-29 16:32
本文綜述了超級電容器電極材料碳納米管/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法,以及由該結(jié)構(gòu)和贗電容活性物質(zhì)形成的三元復(fù)合體系的電化學(xué)電容行為研究進(jìn)展,并提出合理設(shè)計的碳納米管和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效發(fā)揮其高電導(dǎo)率、高比表面積和合理孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,實現(xiàn)活性物質(zhì)的高密度負(fù)載,從而獲得具有高容量、良好倍率特性和長壽命的電化學(xué)超級電容器電極材料。
【文章來源】：化學(xué)進(jìn)展. 2014,26(09)北大核心SCICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
各種儲能器件的能量密度和功率密度的對比
?┓稚?液，再經(jīng)過還原工藝即可獲得碳納米管/石墨烯復(fù)合材料。Cheng等［18］通過簡單的攪拌制備了石墨烯/單壁碳納米管復(fù)合薄膜。該復(fù)合材料的單電極分別在KCl電解質(zhì)和TEABF4/PC電解質(zhì)中進(jìn)行電化學(xué)性能測試，分別得到290.6和201.0F/g的比容量，并且在有機(jī)電解液中，其能量密度可達(dá)62.8Wh/kg，功率密度為58.5kW/kg，相對于純的石墨烯電極，該復(fù)合材料電極的能量密度和功率密度分別增大23%和31%。Zhang等［19］將氧化石墨烯與碳納米管混合溶液經(jīng)過簡單的超聲處理，再經(jīng)還原獲得石墨烯/碳納米管復(fù)合材料(如圖2所示)，利用氧化石墨烯和碳納米管之間的π-π相互吸引堆垛作用，成功地將碳納米管嵌入到石墨烯片層間，防止了石墨烯片層之間的重新堆疊。Peng等［20］采用液相合成法合成了多壁碳納米管/石墨烯聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的三維納米結(jié)構(gòu)，該三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大的比表面積以及高孔隙率使其在作為超級電容器電極材料時擁有優(yōu)良的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性，同時，這種三維結(jié)構(gòu)良好的穩(wěn)定性使其有可能作為多功能柔性器件的優(yōu)異導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。Lu等［21］利用簡單的超聲分散獲得了三明治狀的多壁碳納米管/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜。該復(fù)合薄膜在0.1A/g電流密度下，比電容可達(dá)265F/g，并擁有良好的倍率特性，在50A/g，電容量為最初的49%，經(jīng)2000次充放電循環(huán)后，仍能保持原比電容的97%。圖2(a)石墨烯/碳納米管復(fù)合材料示意圖;(b)石墨烯/碳納米管的TEM圖［19］Fig．2(a)Formationprocessofgraphene/CNTcomposites;(b)TEMimageofgraphene/CNT［19］Huang等［22］采用溶液澆鑄法制備了氧化石墨烯/碳納米管復(fù)合薄膜，碳納米管嵌入石墨烯片層間，賦予了石墨烯大的電化學(xué)有效比表面積，并且3D網(wǎng)絡(luò)的形成也有效提高了該復(fù)合材料的電
康怡然等:碳納米管/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)電容行為綜述與評論化學(xué)進(jìn)展，2014，26(9):1562～1569·1565·完成石墨烯和碳納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)組裝。Yu等［25］利用聚乙烯亞胺(PEI)修飾的表面荷正電石墨烯和經(jīng)過酸處理后表面荷負(fù)電的碳納米管進(jìn)行自組裝，形成的復(fù)合薄膜(如圖3所示)擁有豐富的納米孔道以及內(nèi)部聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供了快速電子和離子的導(dǎo)電通道，賦予復(fù)合材料優(yōu)異的電化學(xué)性能，該電極材料在1V/s掃描速率下，比電容仍可高達(dá)120F/g。圖3帶正電荷的PEI-GN和負(fù)電荷的MWNT薄膜沉積過程示意圖［25］Fig．3IllustrationofpositivelychargedPEI/grapheneandnegativelychargedcarbonnanotubefilmdepositionprocess［25］非共價靜電組裝工藝簡單、容易合成，且碳納米管和石墨烯彼此之間結(jié)合力強(qiáng)，可形成層層組裝結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使獲得的復(fù)合材料擁有優(yōu)異的電化學(xué)性能以及機(jī)械性質(zhì)，因而是合成石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的重要方法之一。2.3原位生長法原位生長法一般采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)，是制備碳納米管/石墨烯復(fù)合材料常用的方法。該方法以石墨烯為基底［26］，將用于碳納米管生長的納米催化劑沉積在石墨烯表面［27］，然后通過化學(xué)氣相沉積獲得碳納米管三維結(jié)構(gòu)。通過該方法獲得的復(fù)合結(jié)構(gòu)可分為兩類:一類是基于石墨烯粉體的碳納米管三維結(jié)構(gòu)生長，另一類是基于宏觀電極的碳納米管-石墨烯三維結(jié)構(gòu)組裝。對于前者，通常以石墨烯粉體作為基底，在其上以溶液法負(fù)載鐵族元素金屬或其鹽粒子作為催化劑，之后以CVD工藝在其上生長碳納米管垂直陣列。Kim等［28］以石墨烯為基底，以Ni為催化顆粒，采用常壓CVD法制備碳納米管生長在石墨烯平面外的石墨烯-Ni催化顆粒-碳納米管三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon nanotube and conducting polymer composites for supercapacitors[J]. Daniel Jewell,George Z. Chen. Progress in Natural Science. 2008(07)
本文編號：3464997
【文章來源】：化學(xué)進(jìn)展. 2014,26(09)北大核心SCICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
各種儲能器件的能量密度和功率密度的對比
?┓稚?液，再經(jīng)過還原工藝即可獲得碳納米管/石墨烯復(fù)合材料。Cheng等［18］通過簡單的攪拌制備了石墨烯/單壁碳納米管復(fù)合薄膜。該復(fù)合材料的單電極分別在KCl電解質(zhì)和TEABF4/PC電解質(zhì)中進(jìn)行電化學(xué)性能測試，分別得到290.6和201.0F/g的比容量，并且在有機(jī)電解液中，其能量密度可達(dá)62.8Wh/kg，功率密度為58.5kW/kg，相對于純的石墨烯電極，該復(fù)合材料電極的能量密度和功率密度分別增大23%和31%。Zhang等［19］將氧化石墨烯與碳納米管混合溶液經(jīng)過簡單的超聲處理，再經(jīng)還原獲得石墨烯/碳納米管復(fù)合材料(如圖2所示)，利用氧化石墨烯和碳納米管之間的π-π相互吸引堆垛作用，成功地將碳納米管嵌入到石墨烯片層間，防止了石墨烯片層之間的重新堆疊。Peng等［20］采用液相合成法合成了多壁碳納米管/石墨烯聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的三維納米結(jié)構(gòu)，該三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大的比表面積以及高孔隙率使其在作為超級電容器電極材料時擁有優(yōu)良的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性，同時，這種三維結(jié)構(gòu)良好的穩(wěn)定性使其有可能作為多功能柔性器件的優(yōu)異導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。Lu等［21］利用簡單的超聲分散獲得了三明治狀的多壁碳納米管/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜。該復(fù)合薄膜在0.1A/g電流密度下，比電容可達(dá)265F/g，并擁有良好的倍率特性，在50A/g，電容量為最初的49%，經(jīng)2000次充放電循環(huán)后，仍能保持原比電容的97%。圖2(a)石墨烯/碳納米管復(fù)合材料示意圖;(b)石墨烯/碳納米管的TEM圖［19］Fig．2(a)Formationprocessofgraphene/CNTcomposites;(b)TEMimageofgraphene/CNT［19］Huang等［22］采用溶液澆鑄法制備了氧化石墨烯/碳納米管復(fù)合薄膜，碳納米管嵌入石墨烯片層間，賦予了石墨烯大的電化學(xué)有效比表面積，并且3D網(wǎng)絡(luò)的形成也有效提高了該復(fù)合材料的電
康怡然等:碳納米管/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)電容行為綜述與評論化學(xué)進(jìn)展，2014，26(9):1562～1569·1565·完成石墨烯和碳納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)組裝。Yu等［25］利用聚乙烯亞胺(PEI)修飾的表面荷正電石墨烯和經(jīng)過酸處理后表面荷負(fù)電的碳納米管進(jìn)行自組裝，形成的復(fù)合薄膜(如圖3所示)擁有豐富的納米孔道以及內(nèi)部聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供了快速電子和離子的導(dǎo)電通道，賦予復(fù)合材料優(yōu)異的電化學(xué)性能，該電極材料在1V/s掃描速率下，比電容仍可高達(dá)120F/g。圖3帶正電荷的PEI-GN和負(fù)電荷的MWNT薄膜沉積過程示意圖［25］Fig．3IllustrationofpositivelychargedPEI/grapheneandnegativelychargedcarbonnanotubefilmdepositionprocess［25］非共價靜電組裝工藝簡單、容易合成，且碳納米管和石墨烯彼此之間結(jié)合力強(qiáng)，可形成層層組裝結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使獲得的復(fù)合材料擁有優(yōu)異的電化學(xué)性能以及機(jī)械性質(zhì)，因而是合成石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的重要方法之一。2.3原位生長法原位生長法一般采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)，是制備碳納米管/石墨烯復(fù)合材料常用的方法。該方法以石墨烯為基底［26］，將用于碳納米管生長的納米催化劑沉積在石墨烯表面［27］，然后通過化學(xué)氣相沉積獲得碳納米管三維結(jié)構(gòu)。通過該方法獲得的復(fù)合結(jié)構(gòu)可分為兩類:一類是基于石墨烯粉體的碳納米管三維結(jié)構(gòu)生長，另一類是基于宏觀電極的碳納米管-石墨烯三維結(jié)構(gòu)組裝。對于前者，通常以石墨烯粉體作為基底，在其上以溶液法負(fù)載鐵族元素金屬或其鹽粒子作為催化劑，之后以CVD工藝在其上生長碳納米管垂直陣列。Kim等［28］以石墨烯為基底，以Ni為催化顆粒，采用常壓CVD法制備碳納米管生長在石墨烯平面外的石墨烯-Ni催化顆粒-碳納米管三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon nanotube and conducting polymer composites for supercapacitors[J]. Daniel Jewell,George Z. Chen. Progress in Natural Science. 2008(07)
本文編號：3464997
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