多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著人口的急劇增長和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源和能源同漸枯竭，生態(tài)環(huán)境同益惡化，為滿足消費(fèi)者的使用需求和環(huán)保要求，人們對動力電源系統(tǒng)提出了以下要求:性能優(yōu)良、壽命長、價格低廉、應(yīng)用范圍廣泛等。此外，隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對地球環(huán)境的保護(hù)也受到公眾的同益關(guān)注，因此，人類社會正在抓緊對新能源的開發(fā)，儲能設(shè)備的新應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。
[0003]超級電容器，是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能器件，具有法拉級的超大電容量，比同體積的電解電容器容量大2000-6000倍，功率密度比電池高10-100倍，同時具有更長的循環(huán)壽命，被認(rèn)為是一種高效、實(shí)用的新型清潔能源，目前作為備用電源，廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、錄像機(jī)、移動電話、計(jì)算機(jī)等電子器件產(chǎn)品中。它兼有物理電容器和電池的特性，能提供比物理電容器更高的能量密度，比電池具有更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命，并且這種電容器己在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用。如在考慮到環(huán)保需要而設(shè)計(jì)開發(fā)的電動汽車和復(fù)合電動汽車的動力系統(tǒng)中，若單獨(dú)使用電池將無法滿足動力系統(tǒng)的要求，然而將高功率密度電化學(xué)電容器與高能量密度電池并聯(lián)組成的混合電源系統(tǒng)既滿足了高功率密度的需要，又滿足了高能量回收的需要。高能量密度、高功率密度的電化學(xué)電容器正在成為人們研宄的熱點(diǎn)。
[0004]由于儲能機(jī)理的不同，人們將超級電容器分為:(1)基于高比表面積電極材料與溶液問界面雙電層原理的雙電層電容器；(2)基于電化學(xué)欠電位沉積或氧化還原法拉第過程的贗電容器(Pseud, capacitor) 121。贗電容與雙電層電容的形成機(jī)理不同，但并不相互排斥。雙電層電容的產(chǎn)生主要基于電極/電解液界面上載流子分離所產(chǎn)生的雙電層電容，如碳電極電容器；贗電容器電容的產(chǎn)生是基于電活性離子在貴金屬電極表面發(fā)生欠電位沉積，或在貴金屬氧化物電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的吸附電容。大比表面積準(zhǔn)電容電極的充放電過程會形成雙電層電容，雙電層電容電極(如多孔炭)的充放電過程往往伴隨有贗電容氧化還原過程發(fā)生，實(shí)際的電化學(xué)電容通常是兩者共存的宏觀體現(xiàn)，要確認(rèn)的只是何者占主要的問題。
[0005]現(xiàn)有研宄中，無論是雙電層電容還是贗電容，提高電容器容量的有效方法都是提高電極材料的比表面積。雙電層電容器通常采用高比表面積的活性炭；贗電容器通常采用納米粒度的金屬氧化物。但是，電極材料內(nèi)只有能夠與電解質(zhì)接觸的微孔表面才能產(chǎn)生電容，現(xiàn)有的雙電層電容器和贗電容器的不足在于，多孔電極表面積的主要部分是微孔，由于電解質(zhì)溶液表面張力的作用，使電解質(zhì)溶液很難進(jìn)入到多孔電極的微孔內(nèi)，導(dǎo)致電極材料表面積利用率低，甚至產(chǎn)生有的碳電極材料比表面積很大，但制成電容器后電容卻不大的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件及其制備方法，采用兩種材料復(fù)合的協(xié)同作用，多孔石墨烯的多孔可以實(shí)現(xiàn)層間立體傳導(dǎo)載流子，通過提高和增加載流子在電極內(nèi)的傳導(dǎo)和儲存，進(jìn)一步提高超級電容器的容量。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件，其為在基底材料上做對稱的叉指電極結(jié)構(gòu)，叉指的寬度為100-200nm，且各叉指之間的距離為50_100nm，再滴加電解液；所述的叉指電極結(jié)構(gòu)中金作集流體為電極材料第一層，多孔石墨烯附載在金上作為電極材料第二層，聚苯胺包覆在多孔石墨稀上作為電極材料表層，金的厚度為10-20nm，多孔石墨稀的厚度為20_40nm，聚苯胺的厚度為20-40nmo
[0008]按上述方案，所述的基底材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯、硅基片、玻璃基片或聚萘二甲酸乙二醇酯。
[0009]按上述方案，所述的電解液為H2S04、H3PO4或LiCl。
[0010]所述的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件的制備方法，包括如下步驟:
[0011]I)清潔基底；
[0012]2)在步驟I)的基礎(chǔ)上，通過勻膠機(jī)在基底材料上涂布光刻膠；
[0013]3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，通過光刻蝕技術(shù)在勻過膠的基底材料上制備出叉指電極的電極溝槽；
[0014]4)在步驟3)的基礎(chǔ)上，通過物理氣相沉積制備出所有的以金作集流體的電極材料的第一層；
[0015]5)在步驟4)的基礎(chǔ)上，將多孔石墨烯滴涂并覆蓋所有的電極材料的第一層之上；
[0016]6)在步驟5)的基礎(chǔ)上，將覆蓋有多孔石墨烯的電極材料的基底于去膠液中浸泡，去除光刻膠；
[0017]7)在步驟6)的基礎(chǔ)上，利用電化學(xué)測試系統(tǒng)對覆蓋有多孔石墨烯的電極材料的基底采用循環(huán)伏安法電沉積聚苯胺；
[0018]8)在步驟7)的基礎(chǔ)上，在所得的納米器件的叉指電極上滴加電解液并利用探針臺進(jìn)行性能測試。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:對于改善電容器能量密度低的問題，現(xiàn)在常見的思路有兩方面，一是:通過改變材料的尺寸結(jié)構(gòu)，增大材料與電解質(zhì)的接觸面積。如材料尺寸納米化，或者是制備出多孔的結(jié)構(gòu)；二是:通過與其他材料的復(fù)合，從化學(xué)組成上改善其儲能性能，如MnO2與石墨烯的復(fù)合。本發(fā)明將兩種思路復(fù)合，即通過石墨烯引入增強(qiáng)電子傳導(dǎo)和多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)筑來增加載流子的傳導(dǎo)，使得電解液中的離子能夠更容易的進(jìn)到贗電容電極材料的內(nèi)部，在高電子電導(dǎo)的保證下，能夠讓微型儲能器件儲存更多電量，從而進(jìn)一步提高了超級電容器的容量和能量密度。
【附圖說明】
[0020]圖1是實(shí)施例1的構(gòu)筑多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件的流程圖；
[0021]圖2是實(shí)施例1的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件的光學(xué)顯微圖；
[0022]圖3是實(shí)施例1的金/多孔石墨烯/聚苯胺復(fù)合的循環(huán)伏安圖；
[0023]圖4是實(shí)施例1的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件中電極上的物質(zhì)表征圖包括XPS圖譜和Reman圖譜；
[0024]圖5是實(shí)施例1的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件的多孔石墨烯/聚苯胺分級結(jié)構(gòu)電極的工作機(jī)理。
具體實(shí)施方案
[0025]為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]如圖1所示，多孔石墨烯支撐聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)基微型超級電容器納米器件的制備方法，它包括如下步驟:
[0028]I)選擇硅基片，將硅基片切成適當(dāng)?shù)某叽?，然后用異丙?IPA)超聲清洗硅片約3min，用氮?dú)獯蹈桑?br>[0029]2)使用旋涂儀在基片上旋涂一層9000A，旋涂的轉(zhuǎn)速為4000r/min，旋涂時間為40s，勻膠之后使用電熱板烘烤，100C，15min ；
[0030]3)使用光刻機(jī)在旋涂好的硅片上刻蝕叉指電極圖樣，曝光時間28s ；
[0031]4)顯影:將光刻蝕過的基片先放在RD6顯影液中浸泡90s，再放入去離子水中浸泡30s，再放入第二份去離子水中浸泡30s，氮?dú)獯蹈桑?br>[0032]5)金屬熱蒸發(fā)(PVD):使用熱蒸發(fā)鍍膜儀蒸鍍金屬，制得叉指電極的電極材料的第一層，叉指寬度150nm，叉指間距50nm，Ti/Au(3nm/17nm)；
[0033]6)多孔石墨烯的涂覆:將多孔石墨烯涂滴到叉指電極的電極材料的第一層上，第一次滴5 μ L，用氮?dú)獯蹈?，之后每次? μ L，用氮?dú)獯蹈桑貜?fù)此步驟10次；
[0034]7)光刻膠剝離:將覆蓋有多孔石墨烯的電極材料的基底放在SU8去膠液中靜置3h，使9000A全部剝離，然后再用SU8的去膠液超聲清洗5分鐘，將叉指電極的電極材料之間的光刻膠以及多孔石墨烯全部去除干凈；
[0035]8)聚苯胺的沉積:用銀漿將基片的兩電極引線連接起來，并使用電化學(xué)工作站進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，掃描