一種用于超級(jí)電容器的垂直孔碳復(fù)合薄膜及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于超級(jí)電容器的垂直介孔碳復(fù)合薄膜的制備方法。該復(fù)合薄膜采用低聚水溶的酚醛樹(shù)脂為碳源，嵌段共聚物為模板，通過(guò)將前驅(qū)體溶液在泡沫鎳、碳纖維等多種基底上多次滴加、加熱揮發(fā)自組裝，在100℃～150℃條件下水熱反應(yīng)6?48h后，并且在惰性氣氛中，用400℃～700℃的溫度碳化得到。所述的復(fù)合薄膜是具有垂直孔道結(jié)構(gòu)的碳薄膜，其垂直孔道結(jié)構(gòu)提供高的比表面積，并且為電解質(zhì)離子充分進(jìn)入電極材料提供通道，同時(shí)多孔碳提升碳復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。本發(fā)明所制備的垂直介孔碳復(fù)合薄膜作為超級(jí)電容器電極獲得了大的比電容以及優(yōu)良的穩(wěn)定性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用于超級(jí)電容器的垂直孔碳復(fù)合薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種垂直介孔碳復(fù)合薄膜的制備方法及其在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)的煤、石油、天然氣等不可再生礦物能源的日益衰竭，以及在它們的利用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染，使得能源與環(huán)境成為人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展歷程中面臨的兩大主要問(wèn)題。目前，新能源諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能等可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用顯示出良好的發(fā)展勢(shì)頭，在今后的大規(guī)模使用方面顯示出了巨大的潛能。但是由于這些可再生能源供應(yīng)的間歇性，只有在其能夠產(chǎn)生的時(shí)候加以存儲(chǔ)，才能保證能耗單元的穩(wěn)定運(yùn)行；另外，對(duì)于清潔能源的應(yīng)用對(duì)象如可移動(dòng)設(shè)備(如移動(dòng)電話(huà)、電動(dòng)汽車(chē)等)，充足的電能存儲(chǔ)也是其正常工作的前提。因此，能量的存儲(chǔ)成為可再生清潔能源實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的進(jìn)程中一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0003]近年來(lái)廣泛研究的電能存儲(chǔ)器件主要包括電池和超級(jí)電容器。電池具有較大的能量密度，可以滿(mǎn)足大多數(shù)電子器件的應(yīng)用需求，但是其較少的循環(huán)充放電次數(shù)和較低的充放電速率制約了其在需求高功率密度場(chǎng)合中的應(yīng)用(Science，1994，264:1115-1118，Nature ,2001，414: 359-367)。與電池相比，超級(jí)電容器具有較高的循環(huán)壽命及高充放電速率，同時(shí)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性質(zhì)穩(wěn)定的特性，使之在大功率能源轉(zhuǎn)換、便攜電子器件、微電流供電設(shè)備上有了很好的運(yùn)用(Science ,2008,321:651-652)。
[0004]近年來(lái)，科學(xué)家在增加材料比表面積和材料的比電容投入了大量的精力(Nanoscale,2013,5,8799-8820,Angew Chem Int Ed，2011，50:1683-1687，ACSNan0.2012,6(7): 6400-6406)。目前柔性超級(jí)電容器的研究主要集中在碳纖維(微米纖維和納米纖維)、碳納米管、石墨烯以及它們的復(fù)合結(jié)構(gòu)。如基于柔性基底(如紙、海綿)支撐的CNTs/Graphene涂層的柔性電極，基于碳纖維襯底的柔性電極，基于CNTs/Graphene的紙狀柔性電極，基于3D宏觀結(jié)構(gòu)的柔性電極。
[0005]目前盡管在碳基電極材料的合成方面取得了一定的進(jìn)展，碳基超級(jí)電容器雖然已經(jīng)成功地商業(yè)化，但為了適應(yīng)高集成度電子器件小型化、輕薄化及柔性的需要，現(xiàn)有超級(jí)電容器還存在很多問(wèn)題，電荷傳輸問(wèn)題、材料的比電容和穩(wěn)定性問(wèn)題、活性物質(zhì)的利用率問(wèn)題以及器件超薄和柔性化問(wèn)題還存在提高的空間。因此，將電活性物質(zhì)(電極材料)直接生長(zhǎng)在收集極上或直接構(gòu)筑自支撐高比表面積骨架成為優(yōu)化電極構(gòu)造、促進(jìn)電荷傳輸效率、提尚活性物質(zhì)利用率的有效措施。
[0006]為了適應(yīng)這一技術(shù)發(fā)展方向開(kāi)發(fā)出相關(guān)的新技術(shù)是必然的發(fā)展趨勢(shì)，本發(fā)明正是因此而生的新技術(shù)。本發(fā)明提供一種用于超級(jí)電容器的垂直孔碳復(fù)合薄膜及其制備方法。所述碳復(fù)合薄膜具有垂直于基底的多層大孔道結(jié)構(gòu)，具有極高的比表面積和優(yōu)良的穩(wěn)定性;大孔結(jié)構(gòu)用于提高離子的傳輸效率，增加導(dǎo)電性;介孔結(jié)構(gòu)用于提高比表面積，提高存儲(chǔ)電容。同時(shí)，所述碳復(fù)合薄膜具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、效果明顯、適用范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問(wèn)題:鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于超級(jí)電容器的垂直介孔碳復(fù)合薄膜及其制備方法。所述垂直介孔碳復(fù)合薄膜既有碳纖維布/泡沫鎳本身的大孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具備垂直于基底的介孔孔道結(jié)構(gòu)，；大孔結(jié)構(gòu)用于提高離子的傳輸效率，增加導(dǎo)電性;介孔結(jié)構(gòu)用于提高比表面積，提高存儲(chǔ)電容。所述復(fù)合薄膜采用低聚水溶的酚醛樹(shù)脂為碳源，嵌段共聚物為模板，通過(guò)將前驅(qū)體溶液在泡沫鎳、碳纖維等多種基底上多次滴加、加熱揮發(fā)自組裝，最后碳化得到;具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、效果明顯、適用范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下所述。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明提供一種用于超級(jí)電容器的垂直介孔碳復(fù)合薄膜，所述碳復(fù)合薄膜具有垂直于基底的孔道結(jié)構(gòu)，該孔道結(jié)構(gòu)為多級(jí)結(jié)構(gòu)，具有大孔和介孔特征，大孔的孔徑約為30?500μηι，介孔的孔徑約為3?7nm;所述碳薄膜材料主要成分是碳;所述碳薄膜材料負(fù)載在泡沫鎳或者碳纖維布表面。
[0009]所述碳復(fù)合薄膜是采用低聚水溶的酚醛樹(shù)脂為碳源，嵌段共聚物為模板，通過(guò)將前驅(qū)體溶液在泡沫鎳、碳纖維等多種基底上多次滴加、加熱揮發(fā)自組裝，在100?150 °C條件下水熱反應(yīng)6?48小時(shí)后，并且在惰性氣氛中，用400°C?700°C的溫度碳化得到。
[0010]所述的碳復(fù)合薄膜同時(shí)具有大孔結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)，大孔結(jié)構(gòu)用于提高離子的傳輸效率，增加導(dǎo)電性;介孔結(jié)構(gòu)用于提高比表面積，提高存儲(chǔ)電容。所述的復(fù)合薄膜是具有垂直孔道結(jié)構(gòu)的碳薄膜，其垂直孔道結(jié)構(gòu)提供高的比表面積，并且為電解質(zhì)離子充分進(jìn)入電極材料提供通道，同時(shí)多孔碳提升碳復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。
[0011]本發(fā)明還提供所述用于超級(jí)電容器的垂直介孔碳復(fù)合薄膜的制備方法，所述制備方法的具體步驟為:
[0012](I)預(yù)聚體的合成，即合成低分子量的酚醛樹(shù)脂預(yù)聚體及球狀碳單鏈膠束:
[0013]將苯酚，甲醛溶液和NaOH的水溶液進(jìn)行混合，在50?90 V下攪拌反應(yīng)，獲得低分子量的酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物反應(yīng)溶液。然后，將聚醚嵌段共聚物溶解在水中，并加入之前的預(yù)聚物反應(yīng)溶液中，攪拌I?5h后。再將溶液稀釋?zhuān)⒃?0?90°C下進(jìn)一步攪拌至觀察到沉積。
[0014]步驟(I)中所述的聚醚嵌段共聚物為F127，其分子結(jié)構(gòu)特征為:MW=12600，ΡΕΟιοθΡΡΟγοΡΕΟιοθ。
[0015]步驟(I)完成后，沉淀溶解后可采用DLS實(shí)時(shí)測(cè)試所形成的預(yù)聚體的顆粒大小，步驟(I)中預(yù)聚體的膠束復(fù)合物顆粒的測(cè)試效果對(duì)后期規(guī)則介孔的形成起關(guān)鍵作用，膠束復(fù)合物顆粒作為后續(xù)介孔薄膜的構(gòu)筑單元，如果膠束復(fù)合物顆粒不均勻會(huì)導(dǎo)致薄膜不均勻，而膠束是薄膜中孔道的模板，如果膠束不均勻，后期孔道也不均勻。
[0016](2)基底處理與吸附預(yù)聚體:
[0017]將基底經(jīng)過(guò)超聲波處理，清洗并干燥后，將基底浸泡在步驟(I)制得的預(yù)聚體中并充分浸潤(rùn)，吸附預(yù)聚體。
[0018]步驟(2)所述基底可以是碳纖維布、泡沫鎳或硅片。
[0019]使用碳纖維布或泡沫鎳作基底時(shí)，需要取適量步驟(I)制備得到的預(yù)聚體充分浸潤(rùn)處理好的碳纖維布或泡沫鎳，放烘箱40?80 0C加熱3?1min，此浸潤(rùn)、加熱過(guò)程重復(fù)3?5次來(lái)吸附預(yù)聚體。
[0020]使用硅片作為基底時(shí)，將經(jīng)過(guò)超聲波處理，清洗并干燥后，將超聲過(guò)的硅片浸入到體積比為3:1的H2SO4和H2O2的混合溶液中，在常溫下浸泡1min，最后用超純水清洗并干燥；然后將硅片浸泡在步驟(I)制得的預(yù)聚體中并充分浸潤(rùn)，使預(yù)聚體在硅片表面充分自組裝。
[0021]步驟(2)中吸附預(yù)聚體的過(guò)程對(duì)后期規(guī)則介孔的形成起關(guān)鍵作用，熱蒸發(fā)有利于膠束預(yù)聚體復(fù)合顆粒的進(jìn)一步規(guī)則自組裝。如果沒(méi)有這一步，將得到顆粒堆積薄膜而不是垂直多孔薄膜
[0022](3)水熱過(guò)程
[0023]將經(jīng)步驟(2)吸附預(yù)聚體后的基底放入反應(yīng)釜中，加入超純水并靜止浸泡后放入烘箱，在100 °C?150 °C下進(jìn)行水熱反應(yīng)6?48h。待其冷卻后，取出負(fù)載有產(chǎn)物的基底，充分清洗后，放入烘箱干燥，得到基底/高分子復(fù)合薄膜。
[0024](4)碳化過(guò)程
[0025]將步驟(3)烘干得到的基底/高分子復(fù)合薄膜在400°C?700 V的氬氣中進(jìn)一步碳化I?3h以獲得垂直介孔碳復(fù)合薄膜。
[0026]為了測(cè)試垂直介孔碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能，使用循環(huán)伏安法通過(guò)三電極系統(tǒng)測(cè)試復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能。三電極分別是工作電極(垂直介孔碳復(fù)合薄膜)、對(duì)電極(金屬鉑片)和參比電極(Ag/AgCl電極hlmol/L的Na2SO4做電解質(zhì)，并將其作為超級(jí)電容器電極，測(cè)試其超級(jí)電容器相關(guān)性能。通過(guò)測(cè)試可知，垂直介孔碳復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，尤其是具有大的比電容。另外，垂直介孔多層孔道結(jié)構(gòu)使得該碳復(fù)合薄膜具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。綜上可知，本發(fā)明所制備的垂直孔碳復(fù)合薄膜作為超級(jí)電容器電極獲得了大的比電容以及優(yōu)良的穩(wěn)定性。
[0027]本發(fā)明所述的碳復(fù)合薄膜，具有的優(yōu)異的電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其能夠用于超級(jí)電容器電極。
[0028]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明的垂直孔碳復(fù)合薄膜具有垂直于基底的孔道結(jié)構(gòu)，該孔道結(jié)構(gòu)為多級(jí)結(jié)構(gòu)，具有大孔和介孔特征，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；
[0030]2、本發(fā)明所述碳復(fù)合薄膜的制備方法具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、效果明顯、適用范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢(shì)；
[0031]3、本發(fā)明的垂直孔碳復(fù)合薄膜可應(yīng)用于超級(jí)電容器電極，大孔結(jié)構(gòu)用于提高離子的傳輸效率，增加導(dǎo)電性;介孔結(jié)構(gòu)用于提高比表面積，提高存儲(chǔ)電容。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1.實(shí)施例1中預(yù)聚體合成中對(duì)嵌段共聚物所形成的膠束以及膠束/預(yù)聚體的顆粒大小測(cè)試結(jié)果；
[0033]圖2.實(shí)施例1中所制備的碳纖維布/高分子復(fù)合薄膜的SEM圖；
[0034]圖3.實(shí)施例1中所制備的垂直孔介孔碳纖維布/碳復(fù)合薄膜的SEM圖；
[0035]圖4.實(shí)施例2中所制備的泡沫鎳/高分子薄膜的SEM圖；
[0036]圖5.實(shí)施例2中所制備的垂直孔介孔泡沫鎳/碳復(fù)合薄膜的SEM圖；
[0037]圖6.實(shí)施例4中所制備的硅片/高分子薄膜的SEM圖；
[0038]圖7.實(shí)施例4中所制備的垂直孔介孔硅片/碳復(fù)合薄膜的SEM圖；
[0039]圖8.實(shí)施例5中所制備的垂直孔介孔碳纖維布/碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能測(cè)試；
[0040]圖9.實(shí)施例6中所制備的垂直孔介孔泡沫鎳/碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能測(cè)試。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)例。
[0042]實(shí)施例1
[0043]垂直孔介孔碳纖維布/高分子復(fù)合薄膜的制備
[0044](I)預(yù)聚體的合成:將0.6g的苯酚，2.1mL的甲醛溶液(37wt%),15mL 0.lmol/L的NaOH溶液加入250mL的三口燒瓶中，然后在50°C下攪拌211。0.968的三嵌段共聚物F127(Mff =12600，PEO1bPPOtoPEO1b)溶解于15mL超純水中，并加入到酚醛樹(shù)脂預(yù)聚體中，在50 °C溫度下攪拌4h后，加入56mL的超純水到上述溶液中，繼續(xù)攪拌約10?14h，直到溶液變渾濁時(shí)停止反應(yīng)，取出靜置待沉淀溶解，采用DLS跟蹤預(yù)聚體的形成(如圖1所示)。
[0045](2)基底處理與吸附預(yù)聚體:將碳纖維布用丙酮，乙醇和超純水超聲30min，然后用超純水清洗并干燥;取適量步驟(I)制備得到的預(yù)聚體充分浸潤(rùn)處理好的碳纖維布，放烘箱80°C加熱3?lOmin，此浸潤(rùn)、加熱過(guò)程重復(fù)3?5次來(lái)吸附預(yù)聚體。
[0046](3)水熱過(guò)程:將上述吸附預(yù)聚體碳纖維布放入25?10mL反應(yīng)釜中，加入15?75mL超純水并靜止浸泡4h后放入烘箱，100°C水熱反應(yīng)6?48h，待其冷卻后，取出負(fù)載有產(chǎn)物的碳纖維布，用超純水充分清洗后，放入烘箱30?80°C干燥，得到碳纖維布/高分子復(fù)合薄膜(如圖2所示)。
[0047](4)碳化過(guò)程:將步驟(3)烘干得到的碳纖維布/高分子薄膜在400°C?700°C的氬氣中進(jìn)一步碳化I?3h以獲得垂直孔介孔碳纖維布/碳復(fù)合薄膜(如圖3所示)。
[0048]實(shí)施例2
[0049]垂直孔介孔泡沫鎳/高分子復(fù)合薄膜的制備
[0050](I)預(yù)聚體的合成:將0.6g的苯酚，2.ImL的甲醛溶液(37wt%),15mL 0.lmol/L的NaOH溶液加入250mL的三口燒瓶中，然后在60°C下攪拌111。0.968的三嵌段共聚物？127(麗=12600，PEO1bPPOtoPEO1b)溶解于15mL超純水中，并加入到酚醛樹(shù)脂預(yù)聚體中，在60 °C溫度下攪拌4h后，加入56mL的超純水到上述溶液中，繼續(xù)攪拌約10?14h，直到溶液變渾濁時(shí)停止反應(yīng)，取出靜置待沉淀溶解。
[0051](2)基底處理與吸附預(yù)聚體:將泡沫鎳用稀鹽酸超聲3min用超純水充分清洗后烘干；取適量步驟(I)制備得到的預(yù)聚體充分浸潤(rùn)處理好的泡沫鎳，放烘箱40°C加熱3?lOmin，此浸潤(rùn)、加熱過(guò)程重復(fù)I?3次來(lái)吸附預(yù)聚體。
[0052](3)水熱過(guò)程:將上述吸附預(yù)聚體泡沫鎳放入25?10mL反應(yīng)釜中，加入15?75mL超純水并靜止浸泡4h后放入烘箱，100 °C?150°C水熱反應(yīng)6?48h，待其冷卻后，取出負(fù)載有產(chǎn)物的泡沫鎳，用超純水充分清洗后，放入烘箱40°C干燥，得到泡沫鎳/高分子復(fù)合薄膜的制備(如圖4所示)。
[0053](4)碳化過(guò)程:將步驟(3)烘干得到的泡沫鎳/高分子薄膜在400?550°C的氬氣中進(jìn)一步碳化I?3h以獲得垂直孔介孔泡沫鎳/碳復(fù)合薄膜(如圖5所示)。
[0054]實(shí)施例3
[0055]垂直孔介孔泡沫鎳/高分子復(fù)合薄膜的制備
[0056](I)預(yù)聚體的合成:將0.6g的苯酚，2.ImL的甲醛溶液(37wt%),15mL 0.lmol/L的NaOH溶液加入250mL的三口燒瓶中，然后在90°C下攪拌OUIg的三嵌段共聚物F127(MW=12600，PEO1bPPOtoPEO1b)溶解于15mL超純水中，并加入到酚醛樹(shù)脂預(yù)聚體中，在90 °C溫度下攪拌2h后，加入56mL的超純水到上述溶液中，繼續(xù)攪拌約10?14h，直到溶液變渾濁時(shí)停止反應(yīng)，取出靜置待沉淀溶解，
[0057](2)基底處理與吸附預(yù)聚體:將泡沫鎳用稀鹽酸超聲3min用超純水充分清洗后烘干；取適量步驟(I)制備得到的預(yù)聚體充分浸潤(rùn)處理好的泡沫鎳，放烘箱40°C加熱3?lOmin，此浸潤(rùn)、加熱過(guò)程重復(fù)3-5次來(lái)吸附預(yù)聚體。
[0058](3)水熱過(guò)程:將上述吸附預(yù)聚體泡沫鎳放入25?10mL反應(yīng)釜中，加入15?75mL超純水并靜止浸泡4h后放入烘箱，100 °C?150 °C水熱反應(yīng)6h，待其冷卻后，取出負(fù)載有產(chǎn)物的泡沫鎳，用超純水充分清洗后，放入烘箱40°C干燥，得到泡沫鎳/高分子復(fù)合薄膜的制備。
[0059](4)碳化過(guò)程:將步驟(3)烘干得到的泡沫鎳/高分子薄膜在500?700 °C的氬氣中進(jìn)一步碳化3?5h以獲得垂直孔介孔泡沫鎳/碳復(fù)合薄膜。
[0060]實(shí)施例4
[0061 ]垂直孔介孔硅片/高分子復(fù)合薄膜的制備
[0062](I)預(yù)聚體的合成:將0.6g的苯酚，2.ImL的甲醛溶液(37wt %),15mL 0.lmol/L的NaOH溶液加入250mL的三口燒瓶中，然后在50?80°C下攪拌0.511。0.968的三嵌段共聚物F127(MW= 12600,PeO1Q6PPO7QPeO1Q6)溶解于15mL超純水中，并加入到酚醛樹(shù)脂預(yù)聚體中，在50?80°C溫度下攪拌2h后，加入56mL的超純水到上述溶液中，繼續(xù)攪拌約10?14h，直到溶液變渾濁時(shí)停止反應(yīng)，取出靜置待沉淀溶解。
[0063](2)基底處理與吸附預(yù)聚體:將硅片用乙醇和超純水超聲30min，然后烘干，之后將超聲過(guò)的硅片浸入到6mL H2SO4，2111LH2O2 (H2SO4: H2O2 = 3:1)的混合溶液中，在常溫下浸泡1min，最后用超純水清洗并干燥;然后取6.60mL預(yù)聚體溶液倒入50mL反應(yīng)爸中，將處理過(guò)的硅片放入溶液，靜置浸泡0.5?3小時(shí)；最后加入30mL超純水用于稀釋溶液，并靜止浸泡
0.5?4h，使其在硅片表面充分自組裝。
[0064](3)水熱過(guò)程:將上述吸附預(yù)聚體硅片放入25?10mL反應(yīng)釜中，加入15?75mL超純水并靜止浸泡4h后放入烘箱，100 °C?150 °C水熱反應(yīng)6h，待其冷卻后，取出負(fù)載有產(chǎn)物的硅片，用超純水充分清洗后，放入烘箱40°C干燥，得到硅片/高分子復(fù)合薄膜的制備(如圖6所示)。
[0065](4)碳化過(guò)程:將步驟(3)烘干得到的泡沫鎳/高分子薄膜在400?500°C的氬氣中進(jìn)一步碳化I?3h以獲得垂直孔介孔硅片/碳復(fù)合薄膜(如圖7所示)。
[0066]實(shí)施例5
[0067]垂直孔介孔碳纖維布/碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能測(cè)試
[0068]我們使用循環(huán)伏安法通過(guò)三電極系統(tǒng)測(cè)試實(shí)施例1制得的垂直孔介孔碳纖維布/碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能。三電極分別是工作電極(垂直介孔碳復(fù)合薄膜)、對(duì)電極(金屬鉑片)和參比電極(Ag/AgCl電極hlmol/L的Na2S04做電解質(zhì)，所得到的電化學(xué)循環(huán)伏安曲線(xiàn)如圖8所示。
[0069]實(shí)施例6
[0070]垂直孔介孔泡沫鎳/碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能測(cè)試
[0071]我們使用循環(huán)伏安法通過(guò)三電極系統(tǒng)測(cè)試實(shí)施例2制得的垂直孔介孔碳纖維布/碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能。三電極分別是工作電極(垂直介孔碳復(fù)合薄膜)、對(duì)電極(金屬鉑片)和參比電極(Ag/AgCl電極)。lmol/L的Na2SO4做電解質(zhì)，所得到的電化學(xué)循環(huán)伏安曲線(xiàn)如圖9所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于超級(jí)電容器的垂直介孔碳復(fù)合薄膜，其特征在于，所述碳復(fù)合薄膜具有垂直于基底的孔道結(jié)構(gòu)，該孔道結(jié)構(gòu)為多級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有大孔結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)特征，大孔的孔徑約為30-500μπι，介孔的孔徑約為3-7nm;所述的薄膜材料主要成分是碳。2.—種如權(quán)利要求1所述的垂直介孔碳復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)預(yù)聚體的合成，即合成低分子量的酚醛樹(shù)脂預(yù)聚體及球狀碳單鏈膠束: 將苯酚，甲醛溶液和NaOH的水溶液進(jìn)行混合，在50-90 V下攪拌反應(yīng)0.5_2h，獲得低分子量的預(yù)聚物反應(yīng)溶液;然后，將聚醚嵌段共聚物溶解在水中，并加入之前的預(yù)聚物反應(yīng)溶液中，攪拌2?4h后，再加水將溶液稀釋?zhuān)⒃?0-90°C下進(jìn)一步攪拌至觀察到沉積； (2)基底處理與吸附預(yù)聚體: 將基底經(jīng)過(guò)超聲波處理，清洗并干燥后，將基底浸泡在步驟(I)制得的預(yù)聚體中并充分浸潤(rùn)，吸附預(yù)聚體； (3)水熱過(guò)程: 將經(jīng)步驟(2)吸附預(yù)聚體后的基底放入反應(yīng)釜中，加入超純水并靜止浸泡后放入烘箱，100°C-150°C下進(jìn)行水熱反應(yīng)6-48h;待其冷卻后，取出負(fù)載有產(chǎn)物的基底，充分清洗后，放入烘箱30-80°C干燥，得到基底/高分子復(fù)合薄膜； (4)碳化過(guò)程: 將步驟(3)烘干得到的基底/高分子復(fù)合薄膜在在400?700°C的氬氣中進(jìn)一步碳化1-5h以獲得垂直介孔碳復(fù)合薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:步驟(2)所述基底是碳纖維布、泡沫鎳或硅片。4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:使用碳纖維布或泡沫鎳作基底時(shí)，需要取適量步驟(I)制備得到的預(yù)聚體充分浸潤(rùn)處理好的碳纖維布或泡沫鎳，放烘箱40-80°C加熱3?1min，此浸潤(rùn)、加熱過(guò)程重復(fù)1_5次來(lái)吸附預(yù)聚體。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:使用硅片作為基底時(shí)，將經(jīng)過(guò)超聲波處理，清洗并干燥后，將超聲過(guò)的娃片浸入到體積比為3:1的H2SO4和H2O2的混合溶液中，在常溫下浸泡lOmin，最后用超純水清洗并干燥;然后將硅片浸泡在步驟(I)制得的預(yù)聚體中并充分浸潤(rùn)，使預(yù)聚體在硅片表面充分自組裝。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:測(cè)試垂直介孔碳復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能時(shí)，使用循環(huán)伏安法通過(guò)三電極系統(tǒng)測(cè)試復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:三電極分別是作為工作電極的垂直介孔碳復(fù)合薄膜、作為對(duì)電極的金屬鉑片和作為參比電極的Ag/AgCl電極，lmol/L的Na2SO4做電解質(zhì)，并將其作為超級(jí)電容器電極，測(cè)試其超級(jí)電容器相關(guān)性能。8.—種如權(quán)利要求1所述的垂直孔碳復(fù)合薄膜的在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，其特征在于，該碳復(fù)合薄膜可應(yīng)用于超級(jí)電容器電極。
【文檔編號(hào)】H01G11/26GK106098396SQ201610564328
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月18日
【發(fā)明人】劉湘梅, 韓藝蕃, 趙強(qiáng), 黃維, 劉淑娟, 許文娟
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)