专利名称：基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及纳米技术及能源存储领域，具体涉及一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容。
背景技术：
能源的储存是能源利用中的一个重要问题，超级电容的出现使电容器的极限容量骤然上升了 3-4个数量级，达到了近1000F/g的大容量。它是一种介于电池与传统电容器之间的新型高功率储能器件，比电池具有更大的功率密度，比传统电容器具有更高的能量密度，且具有可瞬间释放超大电流，充放电效率高，循环寿命长等优点。因此，超级电容器在移动通信、信息技术、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。更高能量密度超级电容器的发展研究是实现其在这些领域应用的重要基础。超级电容器的性能主要由电极的结构和电化学性能决定，所以对超级电容的研究相当一部分集中在电极材料方面。对于超级电容器，金属氧化物、导电聚合物和碳材料作为超级电容器的电极材料被广泛研究，其中金属氧化物有很好的性能表现但是价格昂贵，导电聚合物较便宜但循环使用性差，多孔的碳材料有很大的比表面积但是较低的电导性大大限制能量密度的提高。碳纳米管满足理想电容器电极材料的所有要求，即结晶度高、导电性好、比表面大、微孔集中在一定范围内。尽管如此，以碳纳米管做电容器电极的研究实验并没有得到理想的结果，其中关键的问题就是碳纳米管电极与集流体间的连接阻抗太高而得不到高能量密度的电容器。为了解决该问题，Ajiayan课题组开发了金/碳纳米管沿长度方向的纳米异质结，发现可以得到极高能量存储密度的电容器(Shaijumon M. M., et al. , Chem. Commun, 2008: 2373 2375)。但是，这种异质结只是金与碳纳米管之间点接触，如果改变金属与碳纳米管的接触方式，那么两者之间的连接阻抗仍具有进一步降低的可能性，从而能够得到更大的充放电电流密度，有效地缩短充放电时间。由于填充有金属的碳纳米管具有良好的电性能和磁性能，并且金属也能被外层碳纳米管保护使之不易被外部环境所氧化，因而具有良好的应用前景。但目前还没有解决如何能够简单而有效地得到金属填充率高并且高度有序的碳纳米管阵列的问题，因而也没有将金属填充率极高并且高度有序的碳纳米管阵列用作超级电容器的应用报道。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容，克服了现有技术存在的缺陷，减小了因金属与碳纳米管之间接触不良或因为沿轴向形成的金属/碳纳米管异质结(金属/碳纳米管轴向异质结)中金属与碳纳米管之间由于只是点接触而导致较大的接触电阻的问题，能够增大金属与碳纳米管之间的接触面积，进一步降低金属与碳纳米管之间的接触电阻，从而获得更大的充放电电流密度，缩短充放电时间。本实用新型采用以下技术方案[0008]一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容，其中，包括银膜、金属纳米线、碳纳米管、隔离物和电解液层，所述碳纳米管和金属纳米线组成同轴异质结，在同轴异质结沉积有金属纳米线的一端设置银膜；两组带银膜的同轴异质结相对设置，有银膜一侧向外，两组带银膜的同轴异质结间设置隔离物；在所述两组带银膜的同轴异质结间填充电解液层。 进一步，所述隔离物为玻璃纤维纸或多孔绝缘薄膜。进一步，所述每组同轴异质结含两个以上的同轴异质结。本实用新型的有益效果为本实用新型由于金属在碳纳米管中的填充，能够有效地降低金属与碳纳米管的不良接触，将金属/碳纳米管轴向异质结中金属与碳纳米管之间的点接触改变为面接触，从而有效地减少作为电容电极的碳纳米管与作为集电极的金属纳米线之间的接触阻抗，提高该碳纳米管超级电容器的充放电电流密度，缩短电容器充放电时间，提高能量存储密度。通过控制金属纳米线生长时间的长短可以控制电容电极与集电极之间的接触面积，调控两者之间的电阻，进而调控电容器充放电电流密度及充放电时间。同时，调节金属纳米线生长之后的模板扩孔时间(调节金属纳米线与模板之间的间隙的大小而调节碳纳米管的壁厚)，可调节超级电容器的一系列电容特性参数。通过控制作为电极的没有填充金属的碳纳米管与填充了金属的金属/碳纳米管同轴异质结的比例，而改变超级电容器的电容特性。实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述， 并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书所特别指出的结构来实现和获得。
图1是本实用新型的制作步骤示意图；图2是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步描述如图2所示，本实用新型包括金属纳米线3、碳纳米管4、银膜5、隔离物6和电解液层，碳纳米管4和金属纳米线3组成同轴异质结，银膜5设置在同轴异质结金属纳米线3的一端；两组带银膜5的同轴异质结相对设置，有银膜5的一侧向外，两组带银膜5的同轴异质结间设置隔离物6，形成一种三明治结构，将该结构放入电解液7中，在两组带银膜的同轴异质结间形成电解液层。每组同轴异质结含两个以上的同轴异质结。如图1所示，本实用新型的制作步骤如下(1)在通孔的阳极氧化铝模板1的一面镀上一层银膜2，使用电化学沉积在阳极氧化铝模板1孔洞中沉积金属纳米线3 (如金、银、钼贵金属，镍等过渡金属)；漂洗并干燥；(2)使用低浓度酸碱对(1)中阳极氧化铝模板1进行扩孔，漂洗并干燥；(3)使用(2)中已经扩孔的阳极氧化铝模板1应用化学气相沉积(CVD)生长碳纳米管4，由此获得纳米同轴异质结结构；(4)将阳极氧化铝模板1沉积金属纳米线3的一面，再次沉积银膜5，金属纳米线 3和银膜5共同成为集电极；[0025](5)使用对Al2O3有较强腐蚀能力的酸或碱的溶液溶解阳极氧化铝模板1 ；(6)使用以上获得的一维纳米同轴异质结结构构建超级电容器取两个上述电极相对放置，有银膜5 —面朝外，两电极之间使用多孔绝缘薄膜为隔离物6，形成一种三明治结构，将该结构放入含水电解液7中，即得到本实用新型。如图1、图2所示，本实用新型的具体制作过程为将已经通孔的阳极氧化铝模板 1的一面使用磁控溅射镀膜机镀上一层银膜2，作为电化学沉积的电极。选择银膜2是因为银的电导率较大。以上述阳极氧化铝模板1为阴极，银单质片为阳极，使用电化学沉积在阳极氧化铝模板1孔洞中沉积银纳米线3。电镀液的成分为=ISgi1C6H8CVH2CMgi1AgNO3, ZOg^r1MgSO4，沉积电压为0. 4V，沉积时间15min，取出后使用去离子水漂洗干净并烘干。使用温度为50°C，体积比为5%的磷酸溶液对已沉积有银纳米线3的阳极氧化铝模板1进行扩孔将上一步得到的阳极氧化铝模板1放入上述磷酸溶液中浸泡15分钟，取出后使用去离子水漂洗干净并烘干。将上述已处理的阳极氧化铝模板1放入管式高温炉，以90sCCm氩气为保护气， IOsccm乙炔为碳源，温度为650°C，保温时间为2小时，使用化学气相沉积生长碳纳米管4。将阳极氧化铝模板1沉积银纳米线3的一面，沉积银膜5，银纳米线3和银膜5共同成为集电极。使用温度为50°C，浓度为5mol/L的NaOH溶液腐蚀上述模板，得到纳米阵列，该纳米阵列与银膜5连接在一起，既能保证银纳米线3和银膜5形成集电极，又能保证纳米同轴异质结定向排列和集电极的强度。如图2所示，使用得到的银纳米线/碳纳米管同轴异质结构构建超级电容器取两个上述电极相对放置，有银膜5—面朝外，两电极之间使用玻璃纤维纸为隔离物6，形成一种三明治结构，将该结构放入6mol/L的硫酸电解液7中。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容，其特征在于包括银膜、金属纳米线、碳纳米管、隔离物和电解液层，所述碳纳米管和金属纳米线组成同轴异质结，在沉积有金属纳米线的一端设置银膜；两组带银膜的同轴异质结相对设置，有银膜一侧向外，两组带银膜的同轴异质结间设置隔离物；在所述两组带银膜的同轴异质结间填充电解液层。
2.如权利要求1所述的一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容，其特征在于所述隔离物为玻璃纤维纸或多孔绝缘薄膜。
3.如权利要求1所述的一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容，其特征在于所述每组同轴异质结含两个以上的同轴异质结。
专利摘要本实用新型公开了一种基于一维金属/碳纳米管同轴异质结的超级电容，其中，包括银膜、金属纳米线、碳纳米管、隔离物和电解液层，所述碳纳米管和金属纳米线组成一维同轴异质结，在此同轴异质结沉积有金属纳米线的一端设置银膜；两组带银膜的同轴异质结相对设置，有银膜一侧向外，两组带银膜的同轴异质结间设置隔离物；在所述两组带银膜的同轴异质结间填充电解液层。本实用新型能够增大金属与碳纳米管之间的接触面积，进一步降低金属与碳纳米管之间的接触电阻，从而获得更大的充放电电流密度，缩短充放电时间。
文档编号H01G9/04GK202067674SQ20112019723
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者张迎九, 王瑞丽, 米振宇, 金亮亮, 陈厚尊, 黄迪 申请人:郑州大学