[發明專利]一種碳納米管陣列及其制備方法與在制備超級電容器中的應用

有效

• 申請號: 201110332274.7
• 申請日: 2011-10-27
• 公開（公告）號: CN102502580A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 騫偉中;鄭超;崔超婕;張穎華;張強;魏飛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

1.一種碳納米管陣列，其特征在于：所述碳納米管陣列由定向排列的碳納米管和與所述定向排列的碳納米管垂直排列的碳納米管組成的圓束；所述碳納米管的直徑為0.6～20nm，所述碳納米管的比表面積為500～1300m²/g；所述碳納米管陣列的長度為10μm～1mm，所述碳納米管陣列的直徑為其長度的10％～50％。

2.權利要求1所述碳納米管陣列的制備方法，包括如下步驟：

(1)將過渡金屬的可溶性鹽溶液與Mg和/或Al的可溶性鹽溶液的混合溶液與碳酸銨水溶液、鉬酸銨水溶液和氨水中至少一種進行沉淀反應得到催化劑前驅體顆粒凝膠；所述過渡金屬為Fe、Co、Ni和Mo中至少一種；

(2)將SiO₂和/或ZrO₂球形顆粒分散于所述催化劑前驅體顆粒凝膠中得到漿狀物；將所述漿狀物進行干燥和焙燒后得到催化劑粘附于SiO₂和/或ZrO₂球形顆粒表面的復合粉體；

(3)將所述復合粉體置于固定床反應器或流化床反應器中，然后通入氫氣與氮氣的混合氣體進行還原反應，再通入碳源、氫氣和載氣的混合氣體進行生長反應即得所述碳納米管陣列。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：步驟(1)中所述可溶性鹽溶液均為硝酸鹽水溶液或氯化物水溶液；所述可溶性鹽溶液的摩爾濃度均為0.1～2mol/L；所述催化劑前驅體顆粒凝膠中催化劑前驅體顆粒的粒徑為1～10nm。

4.根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于：步驟(2)中所述SiO₂和ZrO₂球形顆粒的粒徑為200～1000μm；所述SiO₂和/或ZrO₂球形顆粒與所述催化劑前驅體顆粒凝膠的質量份數比為(5～15)∶1。

5.根據權利要求2-4中任一所述的方法，其特征在于：步驟(2)中所述干燥的溫度為100～120℃，所述干燥的時間為8～24小時；所述焙燒的溫度為300～700℃，所述焙燒的時間為8～24小時。

6.根據權利要求2-5中任一所述的方法，其特征在于：步驟(2)所述復合粉體中，以所述過渡金屬的質量百分含量計，所述過渡金屬的氧化物的質量百分含量為0.1％～10％。

7.根據權利要求2-5中任一所述的方法，其特征在于：步驟(3)中，所述氫氣與氮氣的混合氣體中氫氣的體積百分含量為5％～50％；所述還原反應的溫度為500～700℃，所述還原反應的時間為0.5～1小時；所述碳源為C₁-C₆烴類化合物；所述載氣為Ar或N₂；所述碳源、氫氣和載氣的混合氣體的組成為：10～70％的碳源、20～50％的氫氣和余量的載氣，以上均為體積百分含量；所述碳源的總空速為60-600g/gcat/h；所述生長反應的溫度為500～1000℃，反應的時間為1～2小時。

8.權利要求1所述碳納米管陣列在制備超級電容器中的應用。

9.根據權利要求8所述的應用，其特征在于：將所述碳納米管陣列用鹽酸進行處理后得濾餅，將所述濾餅經干燥后再依次置于CO₂氣氛和Ar氣氛下進行熱處理后得到純化后的碳納米管陣列；將所述純化后的碳納米管陣列壓制成碳納米管陣列膜；將所述碳納米管陣列膜浸泡于有機電解液中并進行層層疊合壓制，每層所述碳納米管陣列膜之間用隔膜分開，然后接出正負極引線并壓制導電蓋板即得所述超級電容器。

10.根據權利要求9所述的應用，其特征在于：所述鹽酸的摩爾濃度為0.1-1mol/L，所述鹽酸處理的溫度為30～50℃，所述鹽酸處理的時間為1～5小時；所述干燥的溫度為100～120℃，所述干燥的時間為20～24小時；所述CO₂氣氛下熱處理的溫度為300～900℃，熱處理的時間為1～10小時；所述Ar氣氛下熱處理的溫度為1000～1200℃，熱處理的時間為3～10小時；所述碳納米管陣列膜的厚度為200～500μm，面積為25-1000cm2；所述有機電解液為四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯、1-乙基-3-甲基-咪唑二(三氟甲基磺酰)亞胺/碳酸丙烯酯中至少一種；所述浸泡在氧的質量含量小于0.2×10^-6與水的質量含量小于0.5×10^-6的環境中進行；所述超級電容器中所述碳納米管陣列的質量百分含量為30～50％。