杜显锋教授团队：构筑多级结构铝微栅基阵列碳纳米管电极

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传统化石燃料的不断消耗及其燃烧造成的环境污染和能源枯竭问题日益严重，开发可持续再生的新型清洁能源以及能源存储和转换系统已成为国内外研究热点和亟待解决的问题。超级电容器作为一种具有高功率密度和超长循环寿命的能量存储器件，近年来得到了广泛的关注和研究。超级电容器的性能主要取决于电极材料，传统制备电极的方式主要是涂布技术，这种方式虽然可以通过控制电极厚度来增加超级电容器的容量，但实际使用过程中由于

       电极材料过厚容易从集流体上脱落，从而影响电极循环寿命。为了解决这一问题，研究者通常将活性材料通过原位方法生长在金属铝集流体表面作为电极来获得具有高容量的超级电容器。然而，以往的研究结果表明，直接使用铝箔作为基底生长活性材料存在活性材料负载量低且与基底结合较差等问题，严重影响超级电容器的比容量和能量密度等性能。因此，如何提高活性材料的负载量以及活性材料与集流体之间的结合强度仍是一个挑战。


        针对这一问题，西安交通大学化学学院杜显锋教授团队采用激光刻蚀技术结合化学气相沉积法设计并制备了一种具有多级结构的铝微栅阵列碳纳米管（VACNTs）电极，与通过传统涂布方法制备的CNTs电极相比，Al微栅VACNTs电极具有更高的活性材料负载量(13 mg cm-2)，与集流体之间结合较好，并且表现出优异的电化学性能。当电流密度为13 mA cm-2时，电极的面容量高达1,300 mF cm-2，而且在高电流密度下（130 mA cm-2）循环20,000圈后容量保持率为90%以上。此外，由于集流体与活性材料之间具有良好的机械强度和柔韧性，在多次多角度弯曲后仍然表现出良好的性能。该项研究结果表明具有多级结构的Al微栅VACNTs电极在高性能、柔性和可穿戴超级电容器储能器件领域具有良好的应用潜力。
        该项研究工作于近期发表在国际能源领域顶级期刊 Advanced Functional Materials 上，题目为“Ultrahigh-Areal Capacitance Flexible Supercapacitors Based on Laser Assisted Construction of Hierarchical Aligned Carbon Nanotubes（激光辅助技术构建具有多级结构的阵列碳纳米管基高面容量柔性超级电容器）”。论文第一作者为化学学院新能源材料化学研究所博士生黄珊，熊礼龙副教授和杜显锋教授为通讯作者，西安交通大学为唯一通讯单位。该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在高性能超级电容器领域的又一研究成果，并且获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。杜显锋教授团队长期致力于储能材料的设计和制备以及储能器件的研究，目前已在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials and Interface、Journal of Powder Sources 等国际学术期刊上发表系列高水平科研成果。
        文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104531


       文章来源：西安交通大学
       杜显锋，1978年，湖北嘉鱼人，教授，博士生导师，主要从事电解电容器、锂/钠/铝离子电池、固体电解质、超级电容器等相关研究。课题组主要从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。先后承担了国家自然科学基金项目“基于脉冲阳极氧化的氧化铝结构调控与机理研究”(51777152)、“中高压腐蚀铝箔表面自组装生长钛酸铋纳米复合介质膜”(50902109)；陕西省自然科学基金项目“高能量密度超级电容器用VACNTs多级结构构筑及储能机理研究”(2021JZ-01)、“贵金属单原子的可控担载及其光解水制氢研究”(2014JM6231)、“多孔铝箔表面二氧化钛纳米介质膜的可控沉积”(2010JQ6002)；教育部留学回国人员启动基金“BaCeO3基贵金属单原子的可控担载及其光解水制氢研究”(2014回国基金10)；中央高校基本科研业务费专项资金项目“基于交流阳极氧化铝结构调控与机理研究”(XJJ2016020)、“二氧化钛/石墨烯复合催化剂的制备及光催化制氢研究”(XJJ2012076)、“垂直多孔铝箔表面纳米复合介质膜界面问题研究”(XJJ2009040)；横向合作项目“超高比容高中低压阳极铝箔工艺开发”、“人工晶状体表面疏水涂层的工艺开发”、“高比容低压阳极铝箔工艺开发”、“ALD制备多孔铝材料包覆层的工艺开发”等。以骨干成员参与了国家863计划项目“高介纳米复合氧化膜的制备与应用关键技术研究”(2013AA030803)、“高功率聚合物超级电容器材料研究”(2007AA03Z249)、“铝基高介铁电复合氧化膜制备与性能研究”(2003AA325030)；总装探索重点项目“XXX电容器材料研究”(7131103)；高校博士点专项基金项目“中高压高介电常数复合铝阳极氧化膜的制备与性能研究”(20040698016)；陕西省自然基金项目“石墨烯基超级电容器制备基础研究”(2019JLZ-09)；重大横向合作项目“中高压高介复合氧化膜制备技术”、“低压高介复合氧化膜化成技术”、“低压阳极箔的化成工艺优化研究”、“低压阳极箔耐水合优化研究”等。在Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Inter., Sci. Rep., Adv. Mater., Chem. Mater.,Chem. Commun., J. Colloid Interf. Sci., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名学术期刊和国际会议上发表相关研究论文40余篇，申请发明专利20余项，并荣获教育部科学技术进步一等奖1项。