本文關鍵詞：碳納米管薄膜的制備及其在鋅空氣電池中的應用　出處：《南京理工大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：碳納米管,擁有獨特的一唯納米結構,以及力學、電學、光學等諸多優(yōu)異的物理化學性能,自從在透射電子顯微鏡下被觀察到之后便一直吸引了物理、化學、材料、生物醫(yī)學等眾多領域的密切關注,已經成為納米材料領域的研究熱點之一,并被期望在功能和結構材料方面展現巨大的應用前景。然而經歷了20多年的發(fā)展,碳納米管一直未能真正走向實際的應用,其中一個重要的阻礙是納米尺度的碳納米管無法被精確操控,因此制備宏觀尺度的組裝體例如碳納米管薄膜來搭接與納米世界的橋梁是必要且緊迫的。目前,浮動化學氣相沉積法(FCCVD)由于其連續(xù)、一步的過程被認為是最可能實現碳納米管宏觀體規(guī)�；彤a業(yè)化的制備方法。本學術論文系統研究浮動催化法制備碳納米管薄膜體系中各個參數對碳納米管生長以及成膜連續(xù)性的影響,最終可控制備出大面積高性能的碳納米管薄膜。在此基礎上探索了碳納米管薄膜在氧氣電極以及鋅空氣電池中的重要應用前景,發(fā)展出一種自支撐、柔性、無基底的復合催化材料直接作為擁有對氧還原和氧析出兼具高催化性能的雙功能空氣電極,并開發(fā)出新型的柔性半透明全固態(tài)鋅空氣電池。主要內容如下：碳納米管薄膜的制備和性能研究。研究了生長碳納米管過程中溫度,催化劑配比,載氣比例,等主要參數對碳納米管生長以及薄膜連續(xù)收集的影響。得到了超過1平方米的碳納米管薄膜,具有超過100 Mpa的拉伸強度和700 S/cm以上的電導率,同時擁有三維的多孔網絡結構和大的比表面積,是電極材料的合適選擇。在此基礎上首次實現了規(guī)�；柙負诫s碳納米管薄膜的制備,由于雜原子的引入使得碳納米管圓柱形結構發(fā)生坍塌,增加了界面摩擦力,最終薄膜的拉伸性能接近400 Mpa。碳納米管復合薄膜基雙功能空氣電極。基于制備的碳納米管薄膜良好的機械性能,高的電導率和比表面積,以及3D多孔隙網絡結構,我們探索了其在氧氣電極方面的應用。發(fā)展了新型的電化學氧化法處理碳納米管薄膜大幅提高了親水性,并在表面摻雜上大量的羧基基團,使電導率大幅增加,同時膨脹效果改變了薄膜原始致密的結構為后續(xù)NiCo2O4原位生長提供了足夠的空間。再者,氧化過程引起的眾多缺陷位置提高了氮摻雜的水平,高的氮含量(5.11%)和高的吡啶氮的比重有效的提高了復合薄膜的催化活性。最終得到的NiCo2O4/氮摻雜碳納米管復合薄膜具有極高的電導率,合理的氮摻雜,較大的比表面積,與NiCo2O4緊密耦合的核殼結構,從而表現出極其優(yōu)異的ORR和OER催化活性以及穩(wěn)定性。在此基礎上將復合薄膜直接作為空氣電極構建鋅空氣電池而不需要額外的集流體,在一次空氣電池測試中表現出高達745 mAh/g的比容量對應超過800 Whkgzn-1的能量密度以及120 h的長效耐久性。電極的雙功能催化特征在可充電池中體現在經過200小時的長時充放電測試,鋅空氣電池的充放超電勢只有輕微的變化并能保持近60%的能量效率。碳納米管復合薄膜基半透明鋅空氣電池。柔性,透明的器件已經獲得了大量的關注,可應用在電子顯示、觸摸屏、太陽能電池等。然而,透明電池,作為透明器件最核心的部件卻鮮有報道,主要是因為透明電極的缺失。上文已經證明碳納米管復合薄膜可以作為自支撐的高性能雙功能空氣電極,因此本論文開發(fā)了一種半透明的柔性可充鋅空氣電池其中鍍有鋅的透明碳膜作為陽極,陰極為透明的NCNT/Co3O4雜化薄膜表現出40%左右的透光率,并且有非常好的循環(huán)穩(wěn)定性。
[Abstract]:Carbon nanotubes, only has a unique nanostructure, and mechanical and electrical, optical and other excellent physical and chemical properties, since was observed under transmission electron microscopy has attracted close attention in many areas of physics, chemistry, biomedical materials, etc., has become a hotspot in the field of nano materials. And is expected to show potential applications in functional and structural materials. However, after 20 years of development, the application of carbon nanotube has not really practical, one of the most important obstacle is nano scale carbon nanotubes cannot be precisely controlled, so the bridge assembly style by macro scale such as carbon nanotube films and nano lap of the world is necessary and urgent. At present, the floating chemical vapor deposition (FCCVD) is considered to be the most likely way to achieve large-scale and industrialization of carbon nanotubes due to its continuous and one-step process. In this paper, we systematically studied the influence of various parameters on the growth of carbon nanotubes and the continuity of film growth in the preparation of carbon nanotubes films by floating catalytic method, and finally we could control the preparation of large area high performance CNTs thin films. Based on the important application prospect of carbon nanotube films in oxygen electrode and zinc air battery, the development of a self catalytic composite material support, flexible, free substrate directly as with oxygen reduction and oxygen precipitation with high catalytic performance of bifunctional air electrode, and the development of a new type full translucent flexible solid zinc air battery. The main contents are as follows: preparation and properties of carbon nanotube films. The effects of the temperature, the ratio of catalyst, the proportion of carrier gas on the growth of carbon nanotubes and the continuous collection of the film during the process of growth of carbon nanotubes were investigated. More than 1 square meters of carbon nanotube film has been obtained, which has a tensile strength of more than 100 Mpa and a conductivity of 700 S/cm. Meanwhile, it possesses three-dimensional porous network structure and large specific surface area, which is the appropriate choice for electrode materials. On this basis, the preparation of large scale silicon doped carbon nanotubes films was first realized. Due to the introduction of heteroatoms, the cylindrical structure of carbon nanotubes collapsed and increased the interfacial friction force. Finally, the tensile properties of the films were close to 400 Mpa. Carbon nanotube composite film based dual function air electrode. Based on the good mechanical properties, high electrical conductivity and specific surface area, and the porous structure of 3D, we explored its application in oxygen electrode. The development of the novel electrochemical oxidation treatment of carbon nanotube films can greatly improve the hydrophilicity, and the surface of a large number of carboxyl groups of doping, the conductivity increased significantly, while expansion effect changed the structure of original film compact provides enough space for the subsequent in situ growth of NiCo2O4. Moreover, the location of many defects caused by the oxidation process increased the level of nitrogen doping. The high nitrogen content (5.11%) and the high pyridine nitrogen proportion effectively improved the catalytic activity of the composite film. The final NiCo2O4/ nitrogen doped carbon nanotube composite film has very high electrical conductivity, reasonable nitrogen doping, large specific surface area and tightly coupled core shell structure with NiCo2O4, which shows excellent ORR and OER catalytic activity and stability. On this basis, composite thin film is directly used as air electrode to build zinc air battery without additional fluid collection. In the primary air battery test, it has a capacity of up to 745 mAh/g, which corresponds to the energy density of over 800 Whkgzn-1 and 120 h long lasting durability. The bifunctional catalytic characteristics of electrodes are reflected in rechargeable battery. After 200 hours of long charge and discharge test, the overpotential of zinc air battery is only slightly changed, and it can maintain nearly 60% energy efficiency. Carbon nanotube composite film based semitransparent zinc air battery. Flexible, transparent devices have gained a lot of attention, which can be used in electronic display, touch screen, solar cell and so on. However, transparent cells, which are the most important parts of transparent devices, are rarely reported, mainly because of the lack of transparent electrodes. I have proved that the carbon nanotube composite film can be used as high performance bifunctional air electrode self support, flexible so this paper developed a translucent transparent carbon film zinc air battery which is plated with zinc as the anode and cathode for transparent NCNT/Co3O4 hybrid films showed transmittance rate of about 40%, and the cycle stability very good.
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.41;TB383.1

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本文編號：1339009