基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料及其制备方法技术

基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，包括由杉木碳化后的基体经过活化处理得到，基体内形成有多通道管胞结构，管胞结构内具有排列整齐的孔道结构；所述管胞结构内生长有碳纳米管阵列。本文采用生长碳纳米管森林的天然木材，构建柔性自支撑超级电容器。采用化学气相沉积工艺获得取向碳纳米管/活性木碳。用三电极装置测试了该薄片的优良性能，其高质量比电容为215.3F·g

Supercapacitor Electrode Materials Based on Oriented Carbon Nanotubes and Their Preparation Method

The electrode material for supercapacitor based on aligned carbon nanotubes (CNTs) includes a multi-channel tracheid structure formed in the matrix after activation treatment of the carbonized matrix of Chinese fir, and a well-arranged pore structure in the tracheid structure, in which CNTs arrays are grown. In this paper, a flexible self-supporting supercapacitor was constructed from natural wood growing carbon nanotube forest. Oriented carbon nanotubes/activated wood carbon were prepared by chemical vapor deposition. The excellent performances of the thin sheet were tested by a three-electrode device. The high-quality specific capacitance of the thin sheet was 215.3F.g.

【技术实现步骤摘要】
基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种超级电容器，尤其涉及一种基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器(SCs)作为一种新型的绿色能量存储装置受到广泛关注。如今已开发出一系列新型SCs电极材料，如碳质电极，金属氧化物和过渡金属硫化物。最近的研究表明，电极材料的微观结构对SCs的综合性能有重要影响。为了获得有效的电极材料，已经合成了具有各种微观特征的纳米材料，例如纳米花、纳米棒和核-壳结构。最近的研究结果表明，具有均匀排列的微通道的电极材料更适合于储能装置。结构材料可以使电荷快速分离和运输，并有效地改善能量存储装置的整体性能。为了建立多层次的微观结构以改善材料特性，大自然为我们提供了许多模板和材料设计灵感来设计新材料。木材具有独特的生物基，可再生，机械稳定和均匀排列的通道结构。然而，从木材到木浆到纳米纤维素生产消耗大量能量，并且在破碎，分离和纯化过程中产生大量污染。此外，这种处理将导致天然木材固有多孔性的损失，这对材料的层状结构的充分利用是不利的。因此，特别使人感兴趣的是使用具有天然木材固有多孔性质的功能材料。木材是最丰富的可再生自然资源之一，在绿色化学领域至关重要。木材含有具有活性位点的含羟基碳水化合物和精细分级的多孔结构。这些官能团可用于制备具有特定性质的各种先进的木基功能材料。此外，木材含有一系列结构细胞，包括管胞(软木)，纤维管胞和导管(硬木)，凹坑和穿孔。因此，如果木材的结构特征被保留并直接用作结构良好的骨架，则它将具有各种潜在的应用。例如，可以使用物理和化学方法在木材管胞中构建结构控制的微/纳米功能材料。通过上述方法，可以最大程度地再现和保持木材的微/纳特性。然而目前国内外还没有见到用木基材料作为电容器电极的报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有优异电化学性能的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，包括由杉木碳化后的基体经过活化处理得到，基体内形成有多通道管胞结构，管胞结构内具有排列整齐的孔道结构；所述管胞结构内生长有碳纳米管阵列。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，优选的，所述述碳纳米管的高为1-5μm。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，优选的，所述活化处理包括CO2活化和碳纳米管的生成；所述CO2活化为：在CO2流动气氛中在650-850℃的温度下活化处理8-12小时，将活化后的杉木片抛光成厚度为0.1-1.2mm得到OWC薄片。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，优选的，所述去杂干燥为：将OWC薄片用乙醇和去离子水在超声波清洗机中清洗15分钟后放在真空烘箱中在100-140℃下干燥3-6小时；形成AWC薄片。在本专利技术中，乙醇和去离子水的清洗可以去除可溶性无机盐和一些可溶性的无机盐。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，优选的，所述碳纳米管的生成为：将AWC薄片在80-100℃的Ni(NO3)2水溶液中浸泡10-20分钟；干燥；将吸附有Ni(NO3)2的AWC薄片转移到管式炉中，以氩气作为载气，通入氢气和乙烯在600-800℃的温度下进行化学气相沉积反应。在本专利技术中，Ni(NO3)2水溶液的最佳浓度为0.25M，化学气相沉积反应的最佳时间为7min。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，优选的，将进行完化学气相沉积反应的AWC薄片放入到质量分数为8％-15％HNO3和15％-25％H2SO4的混合溶液中约3-8min，并用去离子水清洗直至pH为中性。本专利技术中，杉木自然风干至含水率低于30％，然后横切成预定的尺寸大小，变成薄片。这种薄片具有均匀排列的多通道管胞结构，管胞的大小约为20～30μm，管胞壁的厚度约为5μm，然后将薄片进行低温预碳化和高温碳化，得到原始碳化木片(OWC)。OWC碳化木片由CO2气体进行一次活化。一方面，CO2与诸如无定形碳的杂质反应并打开堵塞的孔，从而进一步扩展原来的孔道结构。另一方面，CO2与具有活性位点的表面反应，在管胞壁上产生许多微孔，增加了比表面积。在进行CO2活化后，进行乙醇和去离子水的清洗形成AWC薄片，将AWC薄片浸泡在Ni(NO3)2水溶液中，使得管胞内吸附有Ni(NO3)2，然后通过化学气相沉积法合成碳纳米管。即将吸附了Ni(NO3)2的AWC薄片转移到管式炉中，Ni(NO3)2作为催化剂，氩气作为载气，乙烯作为碳源，氢气作为还原气体，反应温度在600-800℃，在木材薄片内壁合成取向碳纳米管阵列。本专利技术中，在Ni(NO3)2在高温下裂解形成镍颗粒，乙烯作为碳源被镍颗粒吸收形成碳镍化合物，达到饱和后结晶析出，形成碳纳米管，氢气可以将镍颗粒上沉积的无定形碳还原掉。在本专利技术中，碳纳米管阵列有助于快速转移和分离电荷，提高空间利用率，并能够进一步的提高超级电容器的容量。一种基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤，1)将天然杉木木材风干至含水率低于30％，并将其横切至预定的尺寸，得到杉木片；2)碳化，将步骤1)的杉木片置于200-300℃的鼓风干燥炉中预碳化5-7小时，然后将杉木片转移到800-1200℃的管式炉中，在氩气保护下进行10小时的碳化处理得到原始木碳(OWC)薄片；3)将OWC薄片在通有100标准立方厘米每分钟的CO2气体中，在650-850℃的温度下活化8-12小时，然后将活化后的杉木片打磨抛光成厚度为0.1-1.2mm的OWC薄片；4)将OWC薄片用乙醇和去离子水在超声波清洗机中清洗15分钟后放在真空烘箱中在100-140℃下干燥3-6小时，形成AWC薄片；5)将AWC薄片在80-100℃的Ni(NO3)2水溶液中浸泡10-20分钟，Ni(NO3)2水溶液的浓度为0.2-0.3M；在100摄氏度的真空烘箱中干燥2-6小时，除去水分；6)将吸附有Ni(NO3)2的AWC薄片转移到管式炉中，以氩气作为载气，通入氢气和乙烯在600-800℃的温度下进行化学气相沉积反应，反应时间为6-8分钟；7)将进行完化学气相沉积反应的AWC薄片放入到质量分数为8％-15％HNO3和15％-25％H2SO4的混合溶液中约3-8min，并用去离子水清洗直至pH为中性，得到超级电容器电极材料。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料的制备方法，优选的，所述步骤5)中通入氢气和乙烯的量分别为25-35sccm(标准立方每分钟)和80-100sccm，通入氩气的量为250-350sccm。上述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料的制备方法，优选的，所述步骤3)中抛光为用2000目的细砂纸进行打磨抛光。本文采用生长碳纳米管森林的天然木材，构建柔性自支撑超级电容器。采用化学气相沉积工艺获得取向碳纳米管/活性木碳。用三电极装置测试了该薄片的优良性能，其高质量比电容为215.3F·g-1，高体积比电容为76.5F·cm-3，高能量密度为39.8Wh·kg-1。以取向碳纳米管/活性木碳薄片为电极，聚乙烯醇-H3PO4为凝胶电解质，组装成全固态柔性超级电容器。柔性多单元超级电容器具有优异的弯曲性能，可作为便携式储能装置。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：包括由杉木碳化后的基体经过活化处理得到，基体内形成有多通道管胞结构，管胞结构内具有排列整齐的孔道结构；所述管胞结构内生长有碳纳米管阵列。

【技术特征摘要】
1.基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：包括由杉木碳化后的基体经过活化处理得到，基体内形成有多通道管胞结构，管胞结构内具有排列整齐的孔道结构；所述管胞结构内生长有碳纳米管阵列。2.根据权利要求1所述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：所述述碳纳米管的高为1-5μm。3.根据权利要求1所述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：所述活化处理包括CO2活化、去杂干燥和碳纳米管的生成；所述CO2活化为：在CO2流动气氛中在650-850℃的温度下活化处理8-12小时，将活化后的杉木片抛光成厚度为0.1-1.2mm得到OWC薄片。4.根据权利要求3所述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：所述去杂干燥为：将OWC薄片用乙醇和去离子水在超声波清洗机中清洗15分钟后放在真空烘箱中在100-140摄氏度下干燥3-6小时，形成AWC薄片。5.根据权利要求4所述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：所述碳纳米管的生成为：将AWC薄片在80-100摄氏度的Ni(NO3)2水溶液中浸泡10-20分钟；干燥；将吸附有Ni(NO3)2的AWC薄片转移到管式炉中，以氩气作为载气，通入氢气和乙烯在600-800摄氏度的温度下进行化学气相沉积反应。6.根据权利要求5所述的基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料，其特征在于：将进行完化学气相沉积反应的AWC薄片放入到质量分数为8％-15％HNO3和15％-25％H2SO4的混合溶液中约3-8min，并用去离子水清洗直至pH为中性。7.一种基于取向碳纳米管的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，1)将天然杉...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇锋，吴陈灵，张森，周璀，习赵维，吴维，王欣，邓圆圆，李贤军，陈道勇，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43