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　　電化學(xué)雙電荷層電容器是一種超級電容器，其比電容相對較大，如果用其替代交流濾波常用的鋁電解電容器，則有望使濾波器件小型化。然而，傳統的雙電荷層電容器的電極材料一般由含有大量細小孔隙或閉孔的活性炭等組成，其響應頻率很低(~1 赫茲)，無(wú)法實(shí)現對交流信號濾波。為了提高雙電荷層電容器的頻率響應性能，近十多年來(lái)國際上開(kāi)展了大量研究，較普遍的做法是采用具有取向性高的碳納米材料作電極，這樣雖然提高了電容器的工作頻率，但其比電容量非常有限。另外，在這種電極結構中，相鄰碳納米材料之間是通過(guò)物理拼接的方式連在一起的，不僅增加了器件的內電阻、降低了頻率響應特性，而且電極材料的質(zhì)量載荷嚴重受限，難以有效提高器件的比電容量。因此，亟需研發(fā)全新結構的納米碳電極材料，以確保在快速頻率響應的同時(shí)，提高雙電荷層電容器的比電容量。 

　　研究團隊從2015年開(kāi)始該項研究，經(jīng)過(guò)長(cháng)期攻關(guān)，成功研發(fā)了由“管中管”結構的碳管相互連接組成的三維碳管網(wǎng)格膜。這種“一體化”的三維碳管網(wǎng)格膜，不僅取向性高、結構穩定、導電性好，而且是一種開(kāi)放式多孔結構，因此有望滿(mǎn)足小型化高性能雙電荷層濾波電容器對電極材料的要求。為了獲得這種獨特的結構，研究人員對含少量雜質(zhì)Cu的鋁片進(jìn)行陽(yáng)極氧化，獲得了孔壁上含有均勻分布的Cu雜質(zhì)顆粒的有序垂直多孔氧化鋁模板；用磷酸選擇性腐蝕掉模板孔壁上的含Cu雜質(zhì)顆粒，得到了均勻分布的橫向孔道，這些橫向孔道將有序排列的垂直孔道之間相互連通，獲得了一種三維互連多孔氧化鋁模板（簡(jiǎn)稱(chēng)3D-AAO）（圖1左上）。該研究采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，利用模板孔道的空間限域效應，在多孔模板的垂直孔道和橫向孔道中生長(cháng)碳管（CT），選擇性腐蝕掉氧化鋁模板后，獲得了垂直碳管與橫向碳管通過(guò)化學(xué)鍵互連的三維碳管網(wǎng)格膜（簡(jiǎn)稱(chēng)3D-CT）（圖1右上）。 

　　為了進(jìn)一步增加這種結構的比表面積，提高電容器的面積比電容和體積比電容，研究人員又采用了兩種措施：在CVD過(guò)程中，將“模板孔限域生長(cháng)”和“催化劑誘導生長(cháng)”相結合，在垂直碳管和橫向碳管中均填充直徑更細的高質(zhì)量碳納米管（CNT），獲得了一種“管中管”結構的新型三維碳管網(wǎng)格膜（簡(jiǎn)稱(chēng)3D-CNT@CT）（圖1左下）；采用KMnO₄溶液對碳管網(wǎng)格膜進(jìn)行表面處理，獲得了具有更高比表面積的三維碳管網(wǎng)格膜（簡(jiǎn)稱(chēng)3D-RCT）（圖1右下）。 

　　研究人員以上述三維碳管網(wǎng)格膜直接做電極，構建了一系列尺寸大小不同的對稱(chēng)型雙電荷層電容器（圖2A）。研究發(fā)現這些器件不僅具有理想的電容器特征（圖2B），而且具有很好的頻率響應性能（120赫茲頻率下的相位角＜-81°，圖2C）和非常高的面積比電容（以3D-RCT組裝的電容器在120 赫茲下對應的面積比電容為2.81 mF cm^-2，圖2D）。為了滿(mǎn)足對較高電壓交流線(xiàn)路濾波的需求，研究人員又將6個(gè)相同的電容器串聯(lián)起來(lái)，發(fā)現串聯(lián)后其仍然保持理想的電容特性（圖3A），同時(shí)表現出與單個(gè)電容器同樣好的頻率響應性能（120赫茲下的相位角＜-82°，圖3B）；當將其用于120赫茲交流線(xiàn)路濾波時(shí)，發(fā)現其具有很好的濾波性能（圖3C）。 

　　這種新型三維碳管網(wǎng)格膜的創(chuàng )新研制，以及新型高性能濾波電容器的成功演示，展現出了替代目前交流線(xiàn)路濾波常用的大尺寸鋁電解電容器的可能性與可行性（圖3D），有望為電子產(chǎn)品的小型化與便攜化提供新的解決方案與核心關(guān)鍵電極材料。 

　　相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目和面上項目、中科院前沿重點(diǎn)項目和創(chuàng )新國際團隊項目，以及合肥研究院院長(cháng)基金項目等的資助。 

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