金属微纤支撑的碳纳米管-碳气凝胶复合材料的跨尺度制备及其超级电容储能研究

发展新结构电极材料及其跨尺度制备新策略是超级电容器研究领域的核心课题。基于薄层大面积三维开放网络的烧结金属纤维结构，通过催化化学气相沉积（CCVD）在金属纤维表面"培植"碳纳米管（CNTs）、再组装碳气凝胶（CAG）的方法，创制以金属微纤网络为集电极、CNTs为纳米导线、CAG为离子存储库，尺度跨越宏观、微观和纳米的自支撑碳纳米管-碳气凝胶先进复合电极材料。考察金属纤维表面性质、碳化条件和碳源等因素对CNTs的生成量和形貌/表面特性及与后续CAG组装复合行为的影响，阐明多孔宏-微-纳结构复合碳材料的构筑和织构/晶构的调控规律。系统考察其作为超级电容器电极的电化学能量存储性能，揭示织构-晶构-电化学特性和储能电容性能间的规律关系，为发展自主知识产权的高性能超级电容量复合碳电极材料及跨尺度制备新策略积累新的科学知识和方法。

（1）基于本实验室研制的具有薄层大面积三维开放网络的烧结8-um镍纤维材料为载体，以乙烯为碳源通过催化作用在纤维上直接生长CNTs，制备了一种薄层、大面积金属纤维-纳米碳纤维复合材料（CNTs/SMFNi；CNTs含量50wt%）。分别以酚醛树脂（RF、PF或者混合物）和聚酰亚胺树脂（PI）为前躯体，通过浸渍-碳化法组装多孔CAGs，创制了以金属微纤网络为集流极、CNTs为纳米导线、CAGs为离子存储库，尺度跨越宏观、微观和纳米的自支撑碳纳米管-碳气凝胶先进复合电极材料CAGs-CNTs/SMFNi，CAGs载持量可高达~42 wt%。直接以酚醛树酯（RF）为前躯体制备的复合碳材料RF-CAGs-CNTs/SMFNi在5.0 M KOH溶液中，扫描速率为1 mV/s时基于CAGs的比电容达360 F/g；通过在酚醛树脂的溶液中加入P123模板剂，可使CAGs具有较大的介孔孔道（4~10 nm），在有机电解质中表现出突出的电容储能性能：在0.1 M N(C2H5)4PF6中，扫描速率为1 mV/s时，基于CAGs的比电容达167 F/g。.（2）基于薄层大面积三维开放网络CNTs/Ni-fiber复合材料，通过溶胶涂覆法将PANi组装在CNTs/Ni-fiber上制得复合电极材料。其中，Ni-fiber网络作为集流极，CNTs充当纳米载流导线连接作为电荷存储器的PANi。以分子量10000的PANi单体制备的PANi、CNTs和Ni-fiber含量分别为28 wt%、28 wt%和44 wt%的复合电极材料具有最佳的电化学性质和化学电容储能性能。电流密度为0.5 A g-1时，基于PANi质量的比电容高达1450 F g-1，基于电极材料总质量的比电容仍达409 F g-1；基于电极材料总质量，在功率密度为200 W kg-1时，能量密度高达38 Wh Kg-1，即使在2000 W kg-1的较高功率密度下，能量密度仍可达22Wh Kg-1。特别是，PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料具有良好的充放电循环稳定性。酸化后的PANi与CNTs发生π-π相互堆积作用产生一种特殊的电子作用，这不仅促进了PANi的电化学活性，且可能对PANi具有稳定作用进而改善了充放电循环稳定性。