多壁碳纳米管结构与其电化学容量之间关系的研究

2002年第60卷第8期,1539～1542

化学学报

ACTACHIMICASINICA

Vol.60,2002No.8,1539～1542

研究简报

多壁碳纳米管结构与其电化学容量之间关系的研究

江　奇　　刘宝春　　瞿美臻　　周固民　　张伯兰　　于作龙

(中国科学院成都有机化学研究所功能材料研究中心　成都610041)

ΞΞ

摘要　采用化学气相沉积法,通过改变催化剂的成分、碳源、反应和后处理条件来制备不同管径、管长、石墨化程度的多壁碳纳米管.经电化学容量性能测试、透射电子显微镜观察和N2吸附等结构表征,发现管径分布为3010～4010

nm、管长越短、石墨化程度越低、比表面积越大、孔容越大的多壁碳纳米管具有更好的电化学容量.

关键词　多壁碳纳米管,电化学容量,结构

AStudyonRelationsbetweenStructureandElectrochemical

CapacitanceofMulti2walledCarbonNanotubes

JIANG,Qi　　LIU,Bao2Chun　　QU,Mei2Zhen　　ZHOU,Gu2Min

ZHANG,Bo2Lan　　YU,Zuo2Long

Ξ

(ResearchandDevelopmentCenterforFunctionalMaterials,ChengduInstituteofOrganicChemistry,

ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041)

Abstract　Multi2walledcarbonnanotubes(CNTs)withdifferentdiameter,differentlength,anddifferentgraphitizeddegreeweregrownbychemicalcatalyticdecompositionofhydrocarbonsbyusingdifferentcatalysts,differentcarbonsourcesunderdifferentreactionandpretreatmentconditions.Thestructureandcapacitancesofthesemulti2walledCNTswereexaminedbymeansoftransmissionelectronmicroscopy(TEM),auto2sorptioninstrumentandconstantcurrenttester.TheexperimentresultsshowthattheCNTswith30.0～40.0nmindiameter,havingshorterlength,lessgraphitizeddegree,morespecificsurfaceareaandmoreporevolumehavehigherelectrochemicalcapacitance.

Keywords　multi2walledcarbonnanotubes,electrochemicalcapacitance,structure

　　电化学超级电容器是一种容量是法拉第(F)级

的大容量电容器.这种大容量电容器是由两个相同(或不同)的平行电极片,中间有一隔膜组成,所以又叫双电层电容器.近年来,随着高性能的电化学超级电容器在移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域的不断应用,超级电容器越来越受到人们的关注,特别是环保汽车———电动汽车的出现,大功率的超级电容器更显示了其前所未有的应用前景,现已成为世界各国能源研究的热点

Ξ

[1,2]

碳纳米管是由日本NEC公司的Iijima博士于

[3]

1991年首次提出的一种新型材料,它可分为单壁和多壁碳纳米管.由于它具有独特的结构性能,立即引起了各界人士的广泛关注.可广泛用于能源技术、生命科学、航空航天等领域.由于多壁碳纳米管具有结晶度高、导电性好、中孔孔径集中在一定狭小范围和比表面积大等特点,在电化学超级电容器电极材料方面具有潜在的应用.碳纳米管(无特别说明,均指多壁碳纳米管)的这种应用特性首先是由美国的

.

E2mail:jiangqi66@http://www.77cn.com.cn

ReceivedDecember31,2001;acceptedApril21,2002.

中国科学院知识创新工程(No.KJCX12Y202)资助项目.

1540　　　　　　化学学报Vol.60,2002

Hyperion公司在1997年发现,随后出现了许多研究

小组专门从事这方面的工作.目前,这方面研究的主

[4～6]

要结果有:碳纳米管用作电化学超级电容器电极材料时的容量一般为30FΠg(有机电解液)和100FΠg(水电解液),但其比功率可高达8kWΠkg,可高频放电,且导电性和成型性好,不用导电剂和粘结剂.但现有的这些研究基本上是就碳纳米管整体而言来考察其电化学性能,并未对碳纳米管的结构与其电容量的关系进行深入的研究.本文主要从碳纳米管的结构对其电化学容量性能的影响方面进行研究,详细讨论了碳纳米管结构与超级电容器电化学容量性能之间的关系.

表征.1.2　碳纳米管电化学超级电容器的电化学性能测试

为避免由于碳纳米管型号的不同而造成的导电性差异,加用w=10%的乙炔黑作导电剂和w=5%聚偏氟乙烯(PVDF)作粘接剂.以铝箔为集电极进行涂片,烘干打片后作为电容器正负两电极.用1.0molΠL的LiClO4ΠEC+DEC[V(EC)∶V(DEC)=1∶1]作电解液,美国Celgard2400为隔膜,在充满氩气手套箱中组装成模拟电化学超级电容器.在DC25型全自动电池程控测试仪上进行恒流充放电测试.测试条件为:充放电电流密度为3.4AΠm,充放电电压范围为0.0～3.0V.碳纳米管的容量按公式:C=(I×t)ΠV计算.其中C为容量(F),I为放电电流(A),t为放电时间(s),V为放电电压(V).所测得的容量为可逆容量(以下无特别说明,容量均指可逆容量).

2

1　实验部分

1.1　不同型号碳纳米管的制备与表征

利用管式炉,以化学气相沉积法制备碳纳米管.采用控制不同的催化剂、不同的碳源、不同的反应条件和后处理来制备得到不同型号的碳纳米管,并采用透射电子显微镜(TEM)JEOLJEM2100CX和AUTOSORPZXF24自动吸附仪(77K,N2吸附)进行

2　结果与讨论

图1a为以CH4为碳源,La2NiO4混合物为催化剂,温度680℃,反应时间1h所制得的管径约20nm

,

图1　4种碳纳米管的透射电镜图

Figure1　TEMimagesoffourkindsofmulti2walledcarbonnanotubes

No.8江　奇等:多壁碳纳米管结构与其电化学容量之间关系的研究1541

管长约10～20μm的碳纳米管(记为1号)的透射电

镜图.经电化学容量性能测试,这种碳纳米管的电化学容量为25.0FΠg.

图1b为以CH4为碳源,LaNi2O3混合物为催化剂,温度680℃,反应时间1h所制得的管径约80～100nm,管长约10～20μm的碳纳米管(记为2号)的透射电镜图.经电化学容量性能测试,这种碳纳米管的电化学容量为10.0FΠg.

图1c将2号碳纳米管先经酸处理,后经行星型玛瑙球磨机球磨24h,而得到的碳纳米管(记为3号)的透射电镜图.由图1b,1c可知,3号碳纳米管的管径与2号碳纳米管一致,但其管长明显变短,经电镜观察,为1～2μm.经电化学容量性能测试,这种碳纳米管的电化学容量为28.0FΠg.

图1d为以CH4为碳源,LaNiO3混合物为催化剂,温度680℃,反应时间1h所制得的富含无定形碳的管径约20nm,管长约10～20μm的碳纳米管(记为4号)的透射电镜图.经电化学容量性能测试,这种碳纳米管的电化学容量为13.0FΠg.

5号和6号碳纳米管是以LaCoO3为催化剂前驱体,温度700℃,反应时间30min,分别以CH4和

C2H2(VC2H2∶VN2=1∶9)为碳源而得到的石墨化程度

低和石墨化程度高的碳纳米管.关于具体的制法、证明与透射电镜图,参见文献[7].经电化学容量性能测试,5号碳纳米管的电化学容量为13.0FΠg,而6号碳纳米管的容量却是27.5FΠg,明显高于5号样品.比较1号与2号碳纳米管的电化学容量测试结果,会发现管径小一点的碳纳米管具有更高的容量.

比较2号与3号碳纳米管的电化学容量测试结果,会发现管长短一点的碳纳米管具有更高的容量.

比较1号与4号碳纳米管的电化学容量测试结果,会发现无定形碳程度低一点的碳纳米管具有更高的容量.

比较5号与6号碳纳米管的电化学容量测试结果,会发现石墨化程度低一点的碳纳米管具有更高的容量.

将6种碳纳米管分别用77K下,N2吸附的方法来测其BET比表面积、孔容和孔径分布(由TEM数据可知,2,3号碳纳米管的管径主要分布在80～100nm,所以不能用吸附N2的方法来真 …… 此处隐藏：5294字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……