基于單根納米線電極材料的原位表征性能測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料和電化學超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于單根納米線電極材料的原位表征性能測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學技術(shù)的進步、社會經(jīng)濟的發(fā)展以及人口急劇增長，對能源的消耗也越來越大，不可再生資源的枯竭迫切要求可再生資源發(fā)揮其替代作用，同時要求對不可再生資源的可持續(xù)、有效利用，充分發(fā)揮其潛能?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)也已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等發(fā)展的需求，燃油和煤碳資源不僅不可再生，在使用消耗過程中還會產(chǎn)生大量的C02、S02等有害物質(zhì)，帶來很嚴重的環(huán)境污染。這就促使人們更加重視建立新的、有效的能源供應體系，以保證經(jīng)濟的可持續(xù)增長，同時還會對保護環(huán)境有益處。其中，開發(fā)新能源和可再生清潔能源是當前解決這一問題最有效的方法，是21世紀必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，新能源材料則是實現(xiàn)新能源的開發(fā)和利用，并支撐它發(fā)展的基礎(chǔ)和核心。
[0003]超級電容器，是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的裝置，它具有快速充放電、環(huán)境友好、高功率密度、超長循環(huán)壽命、無污染及工作溫度范圍寬等特點。目前，主要有金屬氧化物、導電聚合物、活性碳材料及很多摻雜型復合材料被用作其電極材料。隨著研宄的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)Mn02、Co3O4, N1電極材料成本低，而且具有很好的超級電容性能，是一類較好的超級電容器電極材料。但氧化物的導電性太差、易團聚等缺點使其徒有高容量卻很難完全發(fā)揮出來，就需要我們通過提供載體的方法來增強其分散性，提高活性材料的利用，石墨烯的理論比表面積能夠達到2630m2/g，具有很好的導電性和優(yōu)良的力學性能，是當前作為超級電容器電極材料的首選。它作為電極材料，可以很好的克服其他碳材料比表面小、導電性差等問題，特別是石墨烯卷曲之后，在管內(nèi)存在納米限域效應，將大幅提高材料的性能，并且其介孔結(jié)構(gòu)有效地增加了材料的比表面積進而提高了其容量，但單根MnO2納米線、石墨烯/MnO2同軸納米線、多孔石墨烯/MnO2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線電化學超級電容器實際性能優(yōu)劣與其納米線結(jié)構(gòu)的直接聯(lián)系以及石墨烯是怎么樣增加活性材料的性能的還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種基于單根納米線電極材料的原位表征性能測試方法，通過對單根MnO2納米線、石墨稀/MnO 2同軸納米線、多孔石墨稀/MnO 2同軸納米線電化學超級電容器性能的表征及其對稱式單根納米線超級電容器的比較，為電化學超級電容器活性材料的選用和制備提供強有力判據(jù)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:基于單根納米線電極材料的原位表征性能測試方法，其特征在于單根納米線分散在絕緣層上，作為超級電容器電極活性材料，單根納米線的兩端搭建在金屬材料的集流體上，注入電解液封裝，獲得對稱式單根納米線電化學超級電容器器件，以單根納米線為正極，以另一單根納米線為負極，然后對所述的單根納米線電極進行原位的電輸運性能測試，使對稱式單根納米線電化學超級電容器器件在不同的充放電下靜置。
[0006]按上述方案，所述的納米線為MnO2納米線、石墨稀/MnO 2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線、多孔石墨烯/MnO2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出了一種對稱式超級電容器的構(gòu)筑方法及基于單根納米線電極材料的原位表征性能測試，為MnO2納米線、石墨稀/MnO 2同軸納米線、多孔石墨烯/^1102同軸納米線三種納米線結(jié)構(gòu)與電化學超級電容器性能提供了直接的聯(lián)系，可以解釋多孔石墨烯包覆MnO2納米線所形成的的同軸納米線結(jié)構(gòu)作為超級電容器電極材料性能優(yōu)異的本質(zhì)原因，并為納米器件提供高功率密度能量存儲裝置。本發(fā)明中單根納米線電化學超級電容器器件的組裝不需要使用導電添加劑和粘結(jié)劑，納米線工作電極材料和電解液形成良好的接觸，對電極為面積較大的金，因此測得的電化學性能可以反應納米線的本征電化學行為，對納米線的電輸運和結(jié)構(gòu)表征都是在原位進行，能真實反應納米線電極材料的結(jié)構(gòu)對電導率及充放電過程的影響，揭示多孔石墨烯包覆胞02納米線所形成的的同軸納米線結(jié)構(gòu)作為超級電容器電極材料性能優(yōu)異的本質(zhì)原因。
【附圖說明】
[0008]圖1是實施例4的對稱式單根胞02納米線電化學超級電容器器件的光學顯微圖；
[0009]圖2是實施例6的對稱式單根多孔石墨烯/MnO2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線電化學超級電容器器件從20mV/s到100mV/S的循環(huán)伏安曲線圖；
[0010]圖3是實施例4-6的對稱式單根MnO2納米線、石墨烯/MnO 2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線、多孔石墨烯/MnO2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線的電化學超級電容器器件倍率性能圖；
[0011]圖4是實施例4-6的對稱式單根MnO2納米線、石墨烯/MnO 2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線、多孔石墨烯/^1102管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線的電化學超級電容器器件性能分解柱狀圖；
[0012]圖5是實施例4-6的對稱式單根MnO2納米線、石墨烯/MnO 2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線、多孔石墨烯/MnO2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線的電化學超級電容器器件電導率曲線；
[0013]圖6是實施例7的多孔石墨烯/^1102管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線的電化學超級電容器器件倍率性能圖。
【具體實施方式】
[0014]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0015]實施例1通1102納米線材料的制備方法
[0016]I)將Immol高錳酸鉀粉末溶解在去離子水中，加入2mmol氟化銨，室溫下攪拌10?20分鐘，攪拌均勻；
[0017]2)將步驟I)所得溶液轉(zhuǎn)入10mL反應釜中，在180°C條件下反應3小時，取出反應釜，自然冷卻至室溫；
[0018]3)用無水乙醇反復洗滌步驟2)所得產(chǎn)物，烘干即得到Mn02m米線。
[0019]以本實施例所制得的MnO2納米線直徑為30-90nm，長度為10-30 μ m。且分布相對均勻。
[0020]實施例2:Mn02/rG0管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線材料的制備方法
[0021]I)將Immol高錳酸鉀粉末溶解在去離子水中，加入2mmol氟化銨，室溫下攪拌10?20分鐘，攪拌均勻；
[0022]2)向步驟I)所得溶液中按比例加入2ml石墨烯分散液，攪拌10-15分鐘；
[0023]3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)入10mL反應釜中，在180°C條件下反應3小時，取出反應釜，自然冷卻至室溫；
[0024]4)用無水乙醇反復洗滌步驟3)所得產(chǎn)物，烘干即得到Mn02/rG0管中線納米線。
[0025]以本實施例所制得的Mn02/rG0納米線直徑為40-150nm，其中胞02的直徑為35-120nm,長度為15-40 μ m，且分布相對均勻。
[0026]實施例3:多孔石墨烯/MnO2管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線材料的制備方法
[0027]I)將Immol高錳酸鉀粉末溶解在去離子水中，加入2mmol氟化銨，室溫下攪拌10?20分鐘，攪拌均勻；
[0028]2)向步驟I)所得溶液中按比例加入2ml石墨烯分散液，攪拌10-15分鐘；
[0029]3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)入10mL反應釜中，在180°C條件下反應3小時，取出反應釜，自然冷卻至室溫；
[0030]4)將步驟3)所得的產(chǎn)物在5mmol/L水合肼中浸泡還原2h后取出；
[0031]5)用無水乙醇反復洗滌步驟4)所得產(chǎn)物，烘干即得到多孔石墨烯/^02管中線結(jié)構(gòu)同軸納米線。
[0032]以本實施例所制得的Mn02/pG0納米線直徑為40-150nm，其中胞02的直徑為35-120nm,長度為15-40 μ m。且分布相對均勻.
[0033]實施例4:
[0034]對稱式單根納米線電化學超級電容器器件構(gòu)筑方法，它包括如下步驟:
[0035]I)選用帶有300nm熱氧化層的硅基片，將硅基片切成適當尺寸，然后用異丙醇(IPA)超聲清洗硅片約30s，用氮氣吹干；
[0036]2)使用旋涂儀在基片上旋涂一層MMA，旋涂的轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為90s，使用電熱板烘烤，1800C，5min ;然后再在基片上旋涂一層PMMA，旋涂的轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為90s，使用電熱板烘烤，1800C，5min ；
[0037]3)使用電子束曝光機(EBL)在旋涂好的硅片上刻蝕外電極和標記的圖案，曝光劑量為380 μ C/cm2,電子束加速電壓為30kV，電子束電流為400pA ；
[0038]4)顯影:將電子束曝光后的基片在甲基異丁酮(MIBK)溶液中浸泡lmin，然后在異丙醇中浸泡30s，氮氣吹干；
[0039]5) Plasma清洗:使用O2的Plasma清洗娃片，功率為50W，清洗5min，O 2流量30_60mL/min ；
[0040]6)金屬熱蒸發(fā)(PVD):使用熱蒸發(fā)鍍膜儀蒸金屬外電極和標記，Cr/Au(5nm/50nm)；
[0041]7)金屬剝離:將蒸鍍有金屬的基片放在丙酮中靜置12h，使MMA/PMMA全部剝離，然后用丙酮和異丙醇沖洗基片，氮氣吹干；
[0042]8)將實施例1所得的MnO2納米線分散在基片上:將合成的MnO 2納米線通過超聲機分散在無水乙醇中，然后通過旋涂儀將其均勻分散在基片上，納米線在基片上的位置和濃度要適當；
[0043]9)在光學顯微鏡下對樣品進行拍照