MEMS超级电容器用聚吡咯/炭材料复合膜电极的制备及其性能

采用电化学沉积工艺,在MEMS超级电容器的三维结构集流体上制备出聚吡咯(PPy)、聚吡咯/碳纳米管(PPy/CNT)、聚吡咯/石墨烯(PPy/GR)三种类型的膜电极。采用SEM对三种膜电极进行形貌观察,采用循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电和循环充放电研究三种膜电极的电化学电容性能。结果表明,复合电极的微观结构稳定,复合薄膜和集流体之间的结合力大;基于三种膜电极的MEMS超级电容器电容量依次增大,阻抗依次减小,放电电流为1 mA时,比电容分别达到7.0、8.0、8.3 mF/cm2,经过5 000次恒流充放电循环后,电容器的比电容分别保持了原来的72.9%、85.0%和89.2%。在PPy电极中引入CNT或GR后,MEMS超级电容器的电化学和膜电极结构稳定性可得到明显改善。     

超级电容器电极材料

本文综述了碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料作为超级电容器电极材料的最新研究进展。     

聚吡咯电极材料在超级电容器中的研究进展

聚吡咯是导电稳定性最好的导电聚合物之一。因其制备方式简单、环境友好、导电率高、电容性好及独特的掺杂性,制备聚吡咯复合材料以提高电极材料的稳定性成为超级电容器导电聚合物基电极材料的热点研究方向。综述了近年来聚吡咯电极材料及其与碳基材料、金属氧化物材料等二元、三元复合电极材料应用于超级电容器中的研究进展,介绍了聚吡咯的电荷储存机制、聚合机理、制备方法等,指出了当前超级电容器聚吡咯及其复合电极材料的热点研究领域,并且展望了其发展前景。     

石墨烯基超级电容器电极材料研究进展

石墨烯基纳米复合材料是制备超级电容器电极的重要原料之一,也是当下的研究热点。首先介绍了石墨烯/导电聚合物、石墨烯/金属氧化物两类二元纳米复合材料的特点及其制备方法;再介绍了三种不同结构类型的石墨烯/导电聚合物/金属氧化物三元纳米复合材料,并通过分析其结构特点,说明其优势与不足;最后简要介绍了石墨烯与金属硫化物、贵金属粒子以及其他碳材料复合的研究现状。通过分析可知,目前石墨烯基纳米复合材料仍存在较多不足之处,寻求快速、绿色、经济的方法制备能有效提高超级电容器电化学性能的石墨烯基纳米复合材料,将是未来的发展方向。     

新型超级电容器电极材料

超级电容器以其高功率、长周期使用寿命、环保等独特性能受到人们的广泛关注。决定超级电容器电荷存储的最关键因素是电极材料的特性。首先简要介绍了电容器的电荷储存机理。其次详细介绍了金属有机骨架材料(MOFs)、共价有机骨架材料(COFs)、二维过渡金属碳(氮)化物(MXenes)、金属氮化物(MN)、黑磷(BP)和有机分子电极材料等有望获得高能量密度和功率密度的新兴电极材料,以及最新制作的对称/非对称超级电容器的能量、电容、功率、循环性能和倍率性等参数。研究表明,COFs有望成为新一代廉价、绿色、可持续、多功能的储能装置的有机电极候选材料,其电化学性能仍有很大的提高空间。重点介绍了MOFs、COFs、MN、BP及近年来新型有机电极材料在超级电容器中的应用。最后,对超级电容器未来的发展和关键技术的挑战进行了展望。     

聚吡咯/氧化石墨烯复合电极的制备及性能研究

采用直流电电化学制备了聚吡咯和聚吡咯/石墨烯薄膜电极,研究发现聚吡咯/石墨烯复合电极表面产生了很多小孔和一些羊角状的结构,这可能是由于在聚合过程中,聚合围绕石墨烯吸附对甲基苯磺酸根离子形成的球状体所致。而这些小孔和羊角状的结构在电极的充放电过程中为内层聚吡咯提供了离子交换的通道。在循环伏安的测试中,当扫描速率达到1000mV/S时,聚吡咯/石墨烯复合电极的容量依然保持在229F/g,而纯的PPy电极的容量仅保持在112F/g。     

超级电容器有机导电聚合物电极材料的研究进展

有机导电聚合物是一类重要的超级电容器电极材料.有机聚合物掺杂状态下,因具有共轭结构,从而提高了电子的离域性,对外表现可以导电.根据掺杂类型和组合的不同,超级电容器有机聚合物电极可分为3种基本类型.阐述了有机聚合物电极的导电原理和分类,介绍了有机聚合物电极的研究现状和发展趋势.     

超级电容器电极材料研究进展

超级电容器作为储能器件,与传统物理电容器相比较明显地提高了比容量和比能量,而与二次电池相比,虽然比能量低,但其比功率却有着数量级的增加.本文综述了用于制备超级电容器的三类电极材料碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料的研究进展.     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

Fabrication of carboxylic graphene oxide-composited polypyrrole film for neurite growth under electrical stimulation

An aligned composite film was fabricated via the deposition of carboxylic graphene oxide (C-GO) and polypyrrole (PPy) nanoparticles on aligned poly(L-lactic acid) (PLLA) fiber-films (named as C-GO/PPy/PLLA), which has the core (PLLA)–sheath (C-GO/PPy) structure, and the composition of C-GO (~4.8 wt.% of PPy sheath) significantly enhanced the tensile strength and the conductivity of the PPy/PLLA film. Especially, after 4 weeks of immersion in the PBS solution, the conductivity and the tensile strength of C-GO/PPy/PLLA films still remained ~6.10 S/cm and 28.9 MPa, respectively, which could meet the need of the sustained electrical stimulation (ES) therapy for nerve repair. Moreover, the neurite length and the neurite alignment were significantly increased through exerting ES on C-GO/PPy/PLLA films due to their sustained conductivity in the fluid of cell culture. These results indicated that C-GO/PPy/PLLA with sustained conductivity and mechanical property possessed great potential of nerve repair by exerting lasting-ES.     

硅基MEMS三维微电极阵列的超电容特性

三维微电极是一种具有空间结构优势、电化学性能比二维微电极更加优越的微型储能结构.本文提出一种基于光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS工艺加工三维结构硅基微电极阵列的新方法.采用电化学阴极沉积工艺在微电极表面制备了纳米氧化钌功能薄膜.借助扫描电子显微镜、循环伏安测试和电化学交流阻抗谱测试等手段对三维微电极的表面形貌和电化学性能进行了表征,系统研究了阴极沉积电流密度、电沉积时间以及硅基微结构表面"微草效应"对三维微电极超电容特性的影响.所制备三维微电极的比电容达到1.57 F/cm2,与平面电极比电容0.42 F/cm2相比明显提高,而电化学阻抗比二维平面微电极显著降低.相关实验数据表明基于MEMS技术加工的三维结构微电极具有优于平面电极的电化学电容储能特性.     

Conductive polypyrrole incorporated nanocellulose/MoS2 film for preparing flexible supercapacitor electrodes

Conductive films have emerged as appealing electrode materials in flexible supercapacitors owing to their conductivity and mechanical flexibility. However, the unsatisfactory electrode structure induced poor output performance and undesirable cycling stability limited their application. Herein, a well-designed film was manufactured by the vacuum filtration and in-situ polymerization method from cellulose nanofibrils (CNFs), molybdenum disulfide (MoS₂), and polypyrrole. The electrode presented an outstanding mechanical strength (21.3 MPa) and electrical conductivity (9.70 S·cm⁻¹). Meanwhile, the introduce of hydrophilic CNFs induced a desirable increase in diffusion path of electrons and ions, along with the synergistic effect among the three components, further endowed the electrode with excellent specific capacitance (0.734 F·cm⁻²) and good cycling stability (84.50% after 2000 charge/discharge cycles). More importantly, the flexible all-solid-state symmetric supercapacitor delivered a high specific capacitance (1.39 F·cm⁻² at 1 mA·cm⁻²) and a volumetric energy density (6.36 mW·h·cm⁻³ at the power density of 16.35 mW·cm⁻³). This work provided a method for preparing composite films with desired mechanical and electrochemical performance, which can broaden the high-value applications of nanocellulose.     

片状聚吡咯/氧化石墨烯复合材料的制备及电化学性能

通过原位聚合在低温条件下(-10℃)制备具有片状微结构的聚吡咯(PPy)/氧化石墨烯(GO)复合材料,利用傅里叶红外光谱仪(FT-IR),扫描电子显微镜(SEM)对复合材料进行结构表征的基础上,利用循环伏安(CV)、恒流充放电(GC)、电化学阻抗技术(EIS)测试复合材料的电化学性能。FT-IR结果表明复合材料中GO与PPy存在相互作用;SEM结果表明复合材料显示为亚微米片状结构形貌;CV、GC、EIS电化学分析表明,与纯聚吡咯及氧化石墨烯相比,复合材料显示出优越的电容特性。当电流密度保持在1 A/g时,复合材料的比电容可达319 F/g,比GO(9 F/g)和PPy(167 F/g)的比电容都要高,该复合材料可用作潜在的超级电容器电极材料。     

MEMS集成应用的纳米结构PZT厚膜形成工艺研究

提出了制备PZT厚膜的一种新的旋转涂覆方法.采用0-3复合法将PZT溶胶与PZT纳米粉混合形成浆料,并与PZT溶胶交替涂覆在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上,使PZT厚度达2μm,并且使PZT表面质量得到了改善.利用XRD和SEM对PZT厚膜的组织和结构进行了表征.得到的薄膜无裂纹,结晶和表面平整度良好,可用于MEMS中微型传感器和微型驱动器的制作.     

A general synthesis strategy for the multifunctional 3D polypyrrole foam of thin 2D nanosheets

A 3D macroporous conductive polymer foam of thin 2D polypyrrole (PPy) nanosheets is developed by adopting a novel intercalation of guest (monomer Py) between the layers of the lamellar host (3D vanadium oxide foam) template-replication strategy. The 3D PPy foam of thin 2D nanosheets exhibits diverse functions including reversible compressibility, shape memory, absorption/adsorption and mechanically deformable supercapacitor characteristics. The as-prepared 3D PPy foam of thin nanosheets is highly light weight with a density of 12 mg·cm^-3 which can bear the large compressive strain up to 80% whether in wet or dry states; and can absorb organic solutions or extract dye molecules fast and efficiently. In particular, the PPy nanosheet-based foam as a mechanically deformable electrode material for supercapacitors exhibits high specific capacitance of 70 F·g^-1 at a fast charge-discharge rate of 50 mA·g^-1, superior to that of any other typical pure PPy-based capacitor. We envision that the strategy presented here should be applicable to fabrication of a wide variety of organic polymer foams and hydrogels of low-dimensional nanostructures and even inorganic foams and hydrogels of low-dimensional nanostructures, and thus allow for exploration of their advanced physical and chemical properties.     

原子转移自由基聚合反应改性氧化石墨烯研究进展

原子转移自由基聚合(ATRP)是一种具有潜在应用价值的可控活性自由基聚合方法,通过ATRP反应对氧化石墨烯(GO)进行改性,可以有效控制各种接枝聚合物分子链的长度和接枝密度,赋予GO不同的功能性,如良好的溶剂分散性、环境敏感刺激响应性、生物相容性等。文中分别从GO表面固定引发剂直接引发ATRP反应和GO表面非共价键结合ATRP聚合物分子链2种途径,对ATRP反应改性GO进行综述,总结了ATRP改性反应的过程条件和研究方法,并指出了GO功能化复合材料的功能特性和应用前景。     

基于MEMS技术的三维氧化钌微电极准电容特性

为增强电极在单位底面积上的电荷储存能力,设计利用MEMS技术制作高深宽比三维微电极结构,以增大电极结构表面积,并在结构表面制作功能膜形成电极.以硅为基底,SU-8光刻胶为材料制作了三维微电极结构,在结构表面溅射金作为集流体,用两电极体系进行方波脉冲电沉积,在三维微电极结构表面沉积氧化钌作为活性物质,制备了三维微电极.用扫描电镜和能谱对微电极表面形貌和物质组成进行表征,用循环伏安法等对微电极的电化学特性进行测试,三维微电极的比容量达0.79 F/cm2.     

MEMS微结构旋转角度的快速测量方法

可运动的微结构是MEMS器件的重要单元,其运动特性与器件的性能和可靠性是密切相关的.针对频闪成像技术获得的微结构运动图像序列,提出一种微结构旋转角度的快速测量方法.该方法利用运动微结构上普遍存在的释放工艺孔结构作为目标特征,对其中两个释放工艺孔的图像特征分别求取质心和两质心连线的斜率,最后比较运动图像序列中质心斜率的变化,得到各运动状态下的旋转角度.实验结果表明,该测量方法的运算时间小于0.5s,角度测量分辨率可达到0.01°.