面向微超级电容的高性能三维复合微纳电极规模化制造方法

Based on previous research achievements on 3-dimensional carbon.micro/nanoelectromechanical systems (C-MEMS/NEMS), a novel large-scale manufacturing approach of high-performance composite micro/nanoelectrodes incorporating carbon nanotube(CNT) and MnO2 nanostructures is proposed in this work. Firstly, the porous carbon micro/nanostructures are fabricated based on mixing the silica nanoparticles into the photoresist and high-temperature pyrolysis of C-MEMS process, then CNTs are self-assembled into the structure surface through mixing CNTs in the development solution and their surface effects;.thirdly, nanostructured MnO2 particles are electrochemical deposited over the carbon structure surface to form composite electrodes, which can be used in the fabrication of high-performance micro-supercapacitors through structrual design and process development. The proposed study opens new horizons for novel supercapacitor development, which takes advantage of low-cost and large-scale manufacturing of C-MEMS and high-performance electrical and electrochemical characteristics of CNTs and nanostructured MnO2. The proposed work will also provide new integrated micro/nanomanufacturing principles and method, which is meaningful for both scientific research and practical applications.

基于前期三维碳微纳机电系统（C-MEMS/NEMS）技术的研究基础，本课题提出基于制备的碳微纳多孔结构，集成碳纳米管（CNT)和纳米结构的氧化锰（MnO2）材料，规模化制造高性能的复合微纳电极阵列的研究思路。首先通过在光刻胶中混合纳米氧化硅颗粒，在C-MEMS热解过程中氧化硅挥发形成具有微纳米孔特性的碳微纳结构；将CNT均匀分散在显影液中，利用微纳结构的表面自组装效应集成CNT；采用电化学方法在C-MEMS/CNT多孔结构表面沉积氧化锰纳米结构材料，最终制备大面积的C-MEMS/CNT/MnO2复合三维微纳多孔电极阵列结构。并将其应用于超级电容的电极，实现高性能的新型微超级电容。本研究结合C-MEMS技术的规模化低成本制造方法及纳米材料的优越电学和电化学特性，为微超级电容的开发开辟了新的方向，为纳米技术在微能源领域的应用提供新的微纳集成制造原理和方法，具有广泛的科学意义和应用价值。

基于前期三维碳微纳机电系统（C-MEMS/NEMS）技术的研究基础，本课题开展了三方面的研究。第一方面，纳米压印结合等离子加工和微碳化技术制备三维微纳复合结构。第二方面，水热法纳米结构生长及在碳微结构表面集成制造技术。第三方面，复合碳微纳集成结构制造工艺及表征，基于制备的碳微纳多孔结构，集成碳纳米管（CNT)和纳米结构的氧化锰（MnO2）材料，规模化制造高性能的复合微纳电极阵列的研究。首先通过在光刻胶中混合纳米氧化硅颗粒，在C-MEMS热解过程中氧化硅挥发形成具有微纳米孔特性的碳微纳结构；将CNT均匀分散在显影液中，利用微纳结构的表面自组装效应集成CNT；采用电化学方法在C-MEMS/CNT多孔结构表面沉积氧化锰纳米结构材料，最终制备大面积的C-MEMS/CNT/MnO2复合三维微纳多孔电极阵列结构。并将其应用于超级电容的电极，实现高性能的新型微超级电容。本研究结合CMEMS技术的规模化低成本制造方法及纳米材料的优越电学和电化学特性，为微超级电容的开发开辟了新的方向，为纳米技术在微能源领域的应用提供新的微纳集成制造原理和方法。