石墨烯與奈米碳管毯打造出超級微電容器
- 上線日期：2013/2/8 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國科學家以石墨烯(graphene)以及奈米碳管毯(carbon nanotube carpet)製作出一種新型複合式超級微電容器(microsupercapacitor)，該元件的電化學性質適合應用於隨身電子用品及再生能源方面，能量密度(2.42 mWh/cm3)為一般鋁質電解電容器(aluminium electrolytic capacitor)的兩倍。
電容器的功用為儲存電荷，而超級電容器在外加電壓下電解液與電極介面間會形成雙層結構，大幅提升電荷儲存能力，其正式的名稱為電雙層電容器(electric double-layer capacitor)或電化學電容器。隨著可攜式電子產品的需求增加，研究人員著手開發微電容器，先後研究過碳化物衍生碳材、洋蔥狀碳材及雷射還原石墨烯等，但它們似乎都不適合頻率120 Hz的線濾波交流電。一般而言，濾波效率取決於頻率120 Hz的阻抗相角(impedance phase angle)。雖然鋁質電解電容器有好的阻抗相角，但其能量密度相對偏低；相反地，擁有高能量密度的超級電容的阻抗相角卻接近0°。
最近，萊斯(Rice)大學的James Tour與 Douglas Natelson等人利用石墨烯和奈米碳管毯製作出複合式超級電容器，在頻率120 Hz時的阻抗相角可達–81.5°，與鋁質電解電容器已不分軒輊。該團隊表示，此高阻抗相角主要來自於元件內石墨烯與奈米碳管接面間的無縫介面。他們採用一般的微影製程，並以矽/二氧化矽為基板，鍍上10 nm的鉻附著層及450 nm的鎳催化層來成長少層石墨烯，並在石墨烯上沉積鐵/氧化鋁催化劑微粒，最後透過化學氣相沉積法合成奈米碳管毯於石墨烯上。
此元件的定電容值在使用水性電解液與離子電解液的表現分別為2.16和3.93 mF/cm2，與市售超級電容器勢均力敵，不過其放電率則高達400 V/s，比大多數超級電容高出數百倍，該元件的理論功率密度最大值為115 W/cm3，能量密度則為2.42 mWh/cm3。這些優異的數據顯示此裝置可在未來電子產品上作為獨立電源之用。
由於此三維複合材料具有優越的電導率以及大表面積，該團隊正研究此超級電容器其他可應用之領域，譬如鋰離子電池的先進電極。詳見Nano Lett.｜DOI: 10.1021/nl3034976。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/52057
譯者:翁任賢(成功大學物理研究所)
責任編輯:蔡雅芝
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