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廣東韓研活性炭科技股份有限公司
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閱讀：318發(fā)布時間：2021-11-29
沉積氮摻雜活性炭以實現(xiàn)大功率-超級電容器電極。提出了一種無催化劑的方法，通過直流等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，高保形和高導(dǎo)電性的氮摻雜活性炭。這種方法利用C2H2和N2氣體作為活性炭和氮成分的來源，可以應(yīng)用于各種微觀和納米結(jié)構(gòu)。雖然已經(jīng)證實了活性炭具有多孔表面，通過由Ni輔助退火和蝕刻步驟組成的改性工藝可以顯著改善它們的孔隙率。
過去幾十年中，不同類型的活性炭因其各種介質(zhì)的優(yōu)異機(jī)械性能，化學(xué)惰性和長期穩(wěn)定性等優(yōu)異特性而引起了廣泛的關(guān)注，具有良好的生物相容性，通過調(diào)整可調(diào)碳鍵合比和光電導(dǎo)性。具有這樣的性質(zhì)，在一個活性炭薄膜已在生物技術(shù)和太陽能電池應(yīng)用的廣闊范圍表現(xiàn)出極大的潛力。盡管他們有前途的性質(zhì)，也有反對的理想利用率一些障礙活性炭薄膜。例如，如在光電裝置的材料，活性炭從缺乏對它們的電學(xué)和光學(xué)控制。此外，在能量存儲設(shè)備，他們似乎并不某些基于碳的結(jié)構(gòu)，例如石墨烯和碳納米管是高效。為了克服這些缺點(diǎn)，有必要修改活性炭的電化學(xué)性質(zhì)，以增強(qiáng)其對能量存儲裝置的效率和實用性。
氮摻雜的活性炭膜通過一個方法淀積。使用掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，原子力顯微鏡，拉曼光譜和X射線光電子能譜鑒定沉積膜的物理和化學(xué)性質(zhì)。圖1(a)示出沉積在平面硅襯底上的活性炭膜的AFM圖像，其示出了具有約8nm的均方根粗糙度的層的粗糙和多孔表面。表面粗糙度也很明顯從的截面TEM圖像摻氮活性炭表面，如圖中(b)部分所示。該圖像的插入描繪了氮摻雜的活性炭膜的選定區(qū)域電子衍射圖案，表明其非晶性。
雖然使用三維特征作為沉積芯適合于增強(qiáng)實際表面積，但另一個進(jìn)一步的改進(jìn)對于實現(xiàn)超高容量電化學(xué)裝置是至關(guān)重要的。在圖3中，我們已經(jīng)證明了改進(jìn)方法的示意性步驟，以提高沉積(原始)氮摻雜活性炭膜的孔隙率。硅微桿陣列的制造后，將其涂覆有氮摻雜活性炭層，如圖中(a)部分所示。然后該步驟是使用電子束蒸發(fā)(部分(b))涂覆10nm的鎳膜，并在約1000℃的氮?dú)猸h(huán)境中退火5小時(部分(c))。在該退火過程中，鎳薄膜露出并變成納米尺寸的納米顆粒。這些鎳納米顆粒作為催化劑的過程中，在發(fā)生一個 氮摻雜活性炭表面。此石墨化是伴隨著形成在納米孔的過多的一個 氮摻雜活性炭表面，并且因此，該膜的實際表面面積顯著增強(qiáng)((d)部分)。
我們研究了基于純平面和非平面硅襯底上原始和改性的摻氮活性炭涂層制造的超級電容器電極的電化學(xué)性質(zhì)。用于電化學(xué)分析的樣品的制備在圖2(a)中示意性顯示。如圖所示，在組裝電極中，由于a的電阻率低摻氮活性炭涂層，它們直接用作集電器。這種能力立即產(chǎn)生兩大優(yōu)勢：首先，它使涂層適用于片上應(yīng)用。在選擇用于超級電容器電極的涂層基底時，它也具有顯著的靈活性，使得甚至可以使用非導(dǎo)電材料。另外，對于摻氮活性炭的外部觸點(diǎn)，電線通過導(dǎo)電膏附著在其表面上。正如圖2(a)中的展品，以便將電線從電解質(zhì)糊劑隔離，它們都涂有絕緣體樹脂涂層。
在本文中，我們研究了氮摻雜活性炭膜作為大功率- 超級電容器電極活性材料的有前景的應(yīng)用。提出了一種無催化劑方法，使用大面積沉積氮摻雜活性炭的穩(wěn)定，高保形和連續(xù)薄膜。這種容易且廉價的沉積技術(shù)在選擇沉積基板時具有顯著的靈活性，使得其可以以可控的厚度涂覆各種硅和非硅微/納米結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)摻氮活性炭膜具有低電阻率，使得它們能夠在需要電連接時直接用作集電器。如手稿所示，這些質(zhì)量使沉積方法適用于應(yīng)用。
原始沉積的氮摻雜活性炭膜的微觀觀察表明它們具有多孔和粗糙的表面。然而，我們通過兩步表面改性工藝進(jìn)一步增強(qiáng)了它們的孔隙率和實際表面積。步是Ni輔助退火的膜，第二步是暴露于Ni蝕刻劑。然后，評估了在平面和非平面硅襯底上的原始和改性的氮摻雜活性炭膜作為超級電容器電極的電化學(xué)性能。在評估的電極中，Si微陣列上修飾的 活性炭氮顯示出具有雙層電容行為的性能。對于該樣品，面積，體積和比電容密度分別為約8.5mF / cm 2，45 F / cm 3和42 F / g，掃描速率為20 mV / s，電勢窗為0至1 V.此外，它在5000次循環(huán)GCD測試中保持了其初始比電容值的94%以上，表明其潛力被用于長期超級電容器應(yīng)用。最后，在電解質(zhì)水溶液中表現(xiàn)出相對較高的能量密度為2.3×10 3 ?Wh / m 3(8.3×10 6 ?J / m 3)，超高功率密度為2.6×10 8 ?W / m 3。所提出的氮摻雜活性炭沉積方法可以進(jìn)一步用于制造柔性能量儲存/轉(zhuǎn)換裝置以及其他功能性微/納米裝置。
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