多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]伴隨著人口的急劇增長和社會經濟的快速發展，資源和能源同漸枯竭，生態環境同益惡化，為滿足消費者的使用需求和環保要求，人們對動力電源系統提出了以下要求:性能優良、壽命長、價格低廉、應用范圍廣泛等。此外，隨著人類科學技術的不斷進步，對地球環境的保護也受到公眾的同益關注，因此，人類社會正在抓緊對新能源的開發，儲能設備的新應用領域也在不斷擴大。
[0003]超級電容器，是20世紀七八十年代發展起來的一種介于電池和傳統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壽命，被認為是一種高效、實用的新型清潔能源，目前作為備用電源，廣泛應用于照相機、錄像機、移動電話、計算機等電子器件產品中。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壽命，并且這種電容器己在工業領域實現產業化和實際應用。如在考慮到環保需要而設計開發的電動汽車和復合電動汽車的動力系統中，若單獨使用電池將無法滿足動力系統的要求，然而將高功率密度電化學電容器與高能量密度電池并聯組成的混合電源系統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電容器正在成為人們研宄的熱點。
[0004]由于儲能機理的不同，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理不同，但并不相互排斥。雙電層電容的產生主要基于電極/電解液界面上載流子分離所產生的雙電層電容，如碳電極電容器；贗電容器電容的產生是基于電活性離子在貴金屬電極表面發生欠電位沉積，或在貴金屬氧化物電極表面發生氧化還原反應而產生的吸附電容。大比表面積準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生，實際的電化學電容通常是兩者共存的宏觀體現，要確認的只是何者占主要的問題。
[0005]現有研宄中，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，電極材料內只有能夠與電解質接觸的微孔表面才能產生電容，現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，由于電解質溶液表面張力的作用，使電解質溶液很難進入到多孔電極的微孔內，導致電極材料表面積利用率低，甚至產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象。
【發明內容】
[0006]本發明提出一種多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件及其制備方法，采用兩種材料復合的協同作用，多孔石墨烯的多孔可以實現層間立體傳導載流子，通過提高和增加載流子在電極內的傳導和儲存，進一步提高超級電容器的容量。
[0007]為了實現上述目的，本發明的技術方案是:一種多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構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構，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；所述的叉指電極結構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結構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)的基礎上，通過勻膠機在基底材料上涂布光刻膠；
[0013]3)在步驟2)的基礎上，通過光刻蝕技術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)的基礎上，利用電化學測試系統對覆蓋有多孔石墨烯的電極材料的基底采用循環伏安法電沉積聚苯胺；
[0018]8)在步驟7)的基礎上，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行性能測試。
[0019]本發明的有益效果是:對于改善電容器能量密度低的問題，現在常見的思路有兩方面，一是:通過改變材料的尺寸結構，增大材料與電解質的接觸面積。如材料尺寸納米化，或者是制備出多孔的結構；二是:通過與其他材料的復合，從化學組成上改善其儲能性能，如MnO2與石墨烯的復合。本發明將兩種思路復合，即通過石墨烯引入增強電子傳導和多孔結構構筑來增加載流子的傳導，使得電解液中的離子能夠更容易的進到贗電容電極材料的內部，在高電子電導的保證下，能夠讓微型儲能器件儲存更多電量，從而進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是實施例1的構筑多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件的流程圖；
[0021]圖2是實施例1的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件的光學顯微圖；
[0022]圖3是實施例1的金/多孔石墨烯/聚苯胺復合的循環伏安圖；
[0023]圖4是實施例1的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件中電極上的物質表征圖包括XPS圖譜和Reman圖譜；
[0024]圖5是實施例1的多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構基微型超級電容器納米器件的多孔石墨烯/聚苯胺分級結構電極的工作機理。
具體實施方案
[0025]為了更好的理解本發明，下面結合實例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0026]實施例1:
[0027]如圖1所示，多孔石墨烯支撐聚苯胺異質結構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，將硅基片切成適當的尺寸，然后用異丙醇(IPA)超聲清洗硅片約3min，用氮氣吹干；
[0029]2)使用旋涂儀在基片上旋涂一層9000A，旋涂的轉速為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，氮氣吹干；
[0032]5)金屬熱蒸發(PVD):使用熱蒸發鍍膜儀蒸鍍金屬，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，用氮氣吹干，之后每次滴2 μ L，用氮氣吹干，重復此步驟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，并使用電化學工作站進行循環伏安掃描，掃描