基于氧化鈦納米管的超級(jí)電容器電極材料的研究.pdf

1、超級(jí)電容器在消費(fèi)電子、工業(yè)動(dòng)力能源管理系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得了廣泛的研究與應(yīng)用。其中，具有高比表面積、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的陽(yáng)極TiO2納米管材料已經(jīng)成為超級(jí)電容器電極材料的研究熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的恒壓陽(yáng)極氧化制備方法，存在著納米管生長(zhǎng)速率不穩(wěn)定、長(zhǎng)納米管易與基底脫離等問(wèn)題，且制備的納米管陣列由于導(dǎo)電性差等原因，電容性能難以滿(mǎn)足需求。本文首先研究了在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，各種因素對(duì)TiO2納米管陣列形貌的影響，重點(diǎn)探索恒流氧化法快速制備較長(zhǎng)納米管的

2、相關(guān)工藝，并以制備的納米管陣列為基礎(chǔ)，通過(guò)摻雜及制備復(fù)合材料等途徑獲得高性能的超級(jí)電容器電極材料。
　　首先，研究在恒壓陽(yáng)極氧化過(guò)程中，氧化電壓、溫度及氧化時(shí)間對(duì)納米管陣列形貌的影響，并探索一次氧化時(shí)間對(duì)二次氧化法制備的納米管陣列規(guī)整性的影響。并以恒壓二次氧化制備的納米管陣列為模板，嘗試電沉積氧化鎢(WO3)。結(jié)果表明，復(fù)合WO3可有效提高材料比電容，但電沉積法較難控制沉積過(guò)程，很難得到理想的“管中管”結(jié)構(gòu)。
　　其次，采用

3、恒流陽(yáng)極氧化法，改變電流密度、溫度及氧化時(shí)間等參數(shù)，探索制備長(zhǎng)納米管陣列的最佳工藝條件，并在納米管與基底的界面間引入致密層增強(qiáng)陣列與基底的結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在20℃下，以10 mA cm-2電流密度恒流陽(yáng)極氧化4h，然后在含5wt％磷酸的乙二醇溶液中恒壓60 V氧化5 min引進(jìn)致密層，可制備100.6μm長(zhǎng)且與基底緊密結(jié)合的TiO2納米管陣列。
　　然后，通過(guò)氬氣退火和電化學(xué)摻雜處理，提高長(zhǎng)納米管陣列的電容性能。結(jié)果顯示，氬氣退

4、火可引入贗電容提高材料比電容，但所得納米管陣列電導(dǎo)率不佳;電化學(xué)摻雜則可顯著提高其雙電層電容性能。結(jié)合兩種摻雜方法，即在氬氣退火后再進(jìn)行電化學(xué)摻雜，可獲得電容性能更加優(yōu)秀的納米管材料。測(cè)試表明，綜合摻雜后的納米管陣列的比電容為113.2 mF cm-2（掃速為100 mV s-1），且以10 mA cm-2電流密度充放電循環(huán)2000圈后依然保持95％的比電容.
　　最后，以長(zhǎng)TiO2納米管陣列為模板，采用電沉積法制備PANI（po

5、lyaniline，聚苯胺）/TiO2納米管復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)表明:沉積前先選擇性地將納米管底部還原，然后在含苯胺和H2SO4的水溶液中以循環(huán)伏安法電化學(xué)聚合，可成功制備具有納米結(jié)構(gòu)的PANI/TiO2納米管復(fù)合材料。電化學(xué)性能測(cè)試顯示，所制備的復(fù)合材料具有高達(dá)512.4 mF cm-2（掃速為100 mV s-1）的比電容以及221.4 mW cm-2（充放電電流密度為10 mA cm-2）的比功率。以100 mV s-1掃速循環(huán)2000