海胆结构碳纳米颗粒的设计及其在超级电容器中的应用

This project proposes the design and synthesis of sea urchin structured carbon nanoparticles by using hydrothermal, thermal decomposition and chemical vapor deposition method. The as-designed sea urchin structured carbon nanoparticles are used as the electrode materials in electrical double layer supercapacitors. According to the energy storage mechanism of electrical double layer, in order to increase the specific capacitance and decrease the equivalent series resistance of the as-fabricated supercapacitors, it is necessary to research new structured carbon materials with high specific surface area, high conductivity and proper pore size distribution together. There is graphitic mesoporous structure inside the as-designed sea urchin structured carbon nanoparticles and the carbon nanotube structure on the surface of the as-designed sea urchin structured carbon nanoparticles. The as-synthesized sea urchin structured carbon nanoparticles are used for fabricating supercapacitor working electrode. According to the unique structure, the electron storage ability and conductivity of the as-fabricated supercapacitor working electrode can be improved, while the equivalent series resistance generated from the contact between the raw materials can be decreased. This project will focus on solving two scientific problems. One is the resultant structure of graphitic mesopore and carbon nanotubes during the synthesis process of sea urchin structured carbon nanoparticles under the influence of different distributions of transition metal, which plays as the catalyst. The other one is the relationship between the equivalent series resistance of the as-fabricated supercapacitor working electrode and the graphitic rate of the mesopore structure as well as the structure of the carbon nanotubes. In this project, the synthesis method of sea urchin structured carbon nanoparticles will be studied to improve the performance of the as-fabricated supercapacitors. This project has important scientific significance on the study of novel structured carbon materials and their supercapacitor applications.

本项目拟通过水热反应、高温热处理和化学气相沉积，设计制备海胆结构碳纳米颗粒，并用作双电层超级电容器的电极材料。依据双电层原理，研究开发同时具有高比表面积、高电导率和孔径分布合理的新型碳纳米材料，对于提高超级电容器比电容、减少其等效串联电阻具有重要作用。本项目所设计的海胆结构碳纳米颗粒，其内部具有石墨化的介孔结构，表面生长有碳纳米管结构。应用所制备的海胆结构碳纳米颗粒制作超级电容器电极，可以在提高其电子存储能力和电导率的同时，减少因原料之间接触而产生的等效串联电阻。本项目重点解决海胆结构碳纳米颗粒制备过程中作为催化剂的过渡金属的分布对介孔石墨化和碳纳米管生长的影响，以及其介孔石墨化程度和表面碳纳米管结构对于制作成的超级电容器电极的等效串联电阻的影响。建立海胆结构碳纳米颗粒的制备方法并应用其来提高超级电容器电极的性能。对新型碳材料的研究和超级电容器的性能提高具有重要的科学意义。

为了在不损失超级电容器高功率密度的前提下，减少碳材料之间的接触电阻，并且减少材料与集流体之间的接触电阻，以达到提高超级电容器整体性能的目的。课题计划以提升现有碳基材料超级电容性能以及寻求新型碳基电极材料及其复合材料为研究目的，从电极材料、电子浆料、集流体几个方面开展了相关材料的设计合成、结构表征以及性能测试等方面的工作，逐步开展了海胆结构碳纳米颗粒的制备及其在超级电容器中的性能研究，并且成功制备了海胆结构碳纳米颗粒。同时，阐述了表面碳纳米管分布对其电化学储能性能的影响规律，研究表明，添加碳纳米管质量与原反应物质量为1:6时，所制作的海胆结构碳纳米颗粒的电化学电容性能最优。等比例增加制备原料的质量时，依然可以得到海胆结构碳纳米材料。在此基础上，研究了多孔碳/聚苯胺复合材料，硼（B）掺杂的含氮元素碳泡沫（BNCF）材料，类石墨烯材料三种碳材料的制备及其结构对电化学性能的影响规律，揭示了多孔碳孔结构、石墨化结构以及外来原子掺杂对其双电层电化学储能性质的影响规律。并且引入赝电容材料氧化锰，氧化钨/硫化钨，阐述了过渡金属氧化物作为赝电容材料，与碳基双电层材料的协同作用，增强超级电容器的比电容和倍率特性。同时，在研究中发现了新的科学问题——超级电容器漏电流问题。结合电路理论，为了有效降低超级电容器漏电流，结合对第四类电子元器件——忆阻器（阻变存储器）的研究，开展了超级电容器/忆阻器复合器件的研究，并得到了初步的研究成果。围绕项目研究，在国内外学术期刊（Applied Surface Science, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Journal of Materials Chemistry C, Surface & Coatings Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, 中国物理B等）上共发表研究论文20篇，申请发明专利5项。在项目执行期间，共培养了9名硕士研究生（其中包括天津市薄膜电子与通信器件重点实验室的其他合作者的研究生），其中5名已经顺利毕业。4名在读。并且在读研究生张洪浩获得2018年硕士研究生国家奖学金。