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    活性炭掺杂氮制作超级电容电极

    来源:韩研活性炭网 作者:韩研活性炭网 2017-09-12

      沉积氮掺杂活性炭以实现大功率-超级电容器电极。提出了一种无催化剂的方法,通过直流等离子体增强化学气相沉积技术,高保形和高导电性的氮掺杂活性炭。这种方法利用C2H2和N2气体作为活性炭和氮成分的来源,可以应用于各种微观和纳米结构。虽然已经证实了活性炭具有多孔表面,通过由Ni辅助退火和蚀刻步骤组成的改性工艺可以显着改善它们的孔隙率。

      过去几十年中,不同类型的活性炭因其各种介质的优异机械性能,化学惰性和长期稳定性等优异特性而引起了广泛的关注,具有良好的生物相容性,通过调整可调碳键合比和光电导性。具有这样的性质,在一个活性炭薄膜已在生物技术和太阳能电池应用的广阔范围表现出极大的潜力。尽管他们有前途的性质,也有反对的理想利用率一些障碍活性炭薄膜。例如,如在光电装置的材料,活性炭从缺乏对它们的电学和光学控制。此外,在能量存储设备,他们似乎并不某些基于碳的结构,例如石墨烯和碳纳米管是高效。为了克服这些缺点,有必要修改活性炭的电化学性质,以增强其对能量存储装置的效率和实用性。

    活性炭掺杂氮制作超级电容电极

      氮掺杂的活性炭膜通过一个方法淀积。使用扫描电子显微镜,透射电子显微镜,原子力显微镜,拉曼光谱和X射线光电子能谱鉴定沉积膜的物理和化学性质。图1(a)示出沉积在平面硅衬底上的活性炭膜的AFM图像,其示出了具有约8nm的均方根粗糙度的层的粗糙和多孔表面。表面粗糙度也很明显从的截面TEM图像掺氮活性炭表面,如图中(b)部分所示。该图像的插入描绘了氮掺杂的活性炭膜的选定区域电子衍射图案,表明其非晶性。

      虽然使用三维特征作为沉积芯适合于增强实际表面积,但另一个进一步的改进对于实现超高容量电化学装置是至关重要的。在图3中,我们已经证明了改进方法的示意性步骤,以提高沉积(原始)氮掺杂活性炭膜的孔隙率。硅微杆阵列的制造后,将其涂覆有氮掺杂活性炭层,如图中(a)部分所示。然后该步骤是使用电子束蒸发(部分(b))涂覆10nm的镍膜,并在约1000℃的氮气环境中退火5小时(部分(c))。在该退火过程中,镍薄膜露出并变成纳米尺寸的纳米颗粒。这些镍纳米颗粒作为催化剂的过程中,在发生一个 氮掺杂活性炭表面。此石墨化是伴随着形成在纳米孔的过多的一个 氮掺杂活性炭表面,并且因此,该膜的实际表面面积显著增强((d)部分)。

    活性炭制作超级电容炭

      我们研究了基于纯平面和非平面硅衬底上原始和改性的掺氮活性炭涂层制造的超级电容器电极的电化学性质。用于电化学分析的样品的制备在图2(a)中示意性显示。如图所示,在组装电极中,由于a的电阻率低掺氮活性炭涂层,它们直接用作集电器。这种能力立即产生两大优势:首先,它使涂层适用于片上应用。在选择用于超级电容器电极的涂层基底时,它也具有显着的灵活性,使得甚至可以使用非导电材料。另外,对于掺氮活性炭的外部触点,电线通过导电膏附着在其表面上。正如图2(a)中的展品,以便将电线从电解质糊剂隔离,它们都涂有绝缘体树脂涂层。

      在本文中,我们研究了氮掺杂活性炭膜作为大功率- 超级电容器电极活性材料的有前景的应用。提出了一种无催化剂方法,使用大面积沉积氮掺杂活性炭的稳定,高保形和连续薄膜。这种容易且廉价的沉积技术在选择沉积基板时具有显着的灵活性,使得其可以以可控的厚度涂覆各种硅和非硅微/纳米结构。发现掺氮活性炭膜具有低电阻率,使得它们能够在需要电连接时直接用作集电器。如手稿所示,这些质量使沉积方法适用于应用。

      原始沉积的氮掺杂活性炭膜的微观观察表明它们具有多孔和粗糙的表面。然而,我们通过两步表面改性工艺进一步增强了它们的孔隙率和实际表面积。第一步是Ni辅助退火的膜,第二步是暴露于Ni蚀刻剂。然后,评估了在平面和非平面硅衬底上的原始和改性的氮掺杂活性炭膜作为超级电容器电极的电化学性能。在评估的电极中,Si微阵列上修饰的 活性炭氮显示出具有双层电容行为的最佳性能。对于该样品,面积,体积和比电容密度分别为约8.5mF / cm 2,45 F / cm 3和42 F / g,扫描速率为20 mV / s,电势窗为0至1 V.此外,它在5000次循环GCD测试中保持了其初始比电容值的94%以上,表明其潜力被用于长期超级电容器应用。最后,在电解质水溶液中表现出相对较高的能量密度为2.3×10 3 ?Wh / m 3(8.3×10 6 ?J / m 3),超高功率密度为2.6×10 8 ?W / m 3。所提出的氮掺杂活性炭沉积方法可以进一步用于制造柔性能量储存/转换装置以及其他功能性微/纳米装置。

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