物理化學學報（碳納米管微結構的改變對其容量性能的影響*江奇盧曉英趙勇于作龍1（西南交通大學材料科學與工程學院，成都610031；1中國科學院成都有機化學研宄所，成都表面積和孔容分別是活化處理前約3倍和1. 5倍的活性碳納米管。將活化處理前后兩種碳納米管分別制作成電化學超級電容器電極，在充滿氬氣的無水手套箱組裝成模擬電化學超級電容器，在恒流充放電模式下進行電化學可逆容量的測試，發現活性碳納米管的電化學容量遠高于活化前碳納米管，是它的2倍。從而發現碳納米管被打斷，管壁變粗糙的活性碳納米管比一般碳納米管更適合用于電化學超級電容器電極材料。

　　量，二次電池也無法比擬的高功率，大電流放電，長的循環使用壽命等特點，日益成為世界各國能源研究的熱點。

　　發現的一種新型材料，由于其獨特的納米中空管結構，引起了各界人士的關注。普遍認為CNTs用作ESC電極材料有獨特的優越性，即結晶度高、導電性好、比表面積大、孔徑分布集中在一定范圍內（且孔徑大小可控）。所以CNTs用作ESC電極材料業已成為ESC研究的熱點。

　　CNTs用作ESC電極材料的研究已于1997年首先由美國的Hyperion公司報導，隨后出現了許多研究小組，發現碳納米管的結構對于它的電化學容量有較大的影響。進一步的研究發現，將CNTs進行活化處理而得到的活性碳納米管在相同的測試條件下，可使其電化學容量上升一倍，本文主要討論在活化處理過程中，碳納米管微結構的改變對其電化學容量性能的影響。

　　為活性碳納米管和碳納米管分別組成的電化學超級電容器的恒流充放電曲線圖。圖中曲線a為活化前的碳納米管，在恒定電流（0.2mA）下的充放電曲線，單電極質量為2.時間約400s，根據上面的電容計算公式，可計算出其單電極容量約為25.0Fg-1.曲線b為活性碳納米管在恒定電流（0.2mA）下的充放電曲線，單電極質量為4.77mg，根據其放電時間約1800s，可計算出其單電極容量約為50.0Fg-1.而且，經測試表明，活性碳納米管電極與活化前碳納米管電極一樣，都有良好的充放電效率和長的循環使用壽命。由此可見，碳納米管經過這樣的活化處理，就使得它的電化學容量由原來的25.0Fg-1增加到50.0F-g-1，提高了1倍。

　　表1是碳納米管活化前后的孔結構數據。由表1我們可以發現，碳納米管經活化處理后，比表面積由原來的194.1m2-g-1增加到510.5m2-g-1，增加為原來的約3倍；而總孔容也由原來的0. *g-1增加到0. *g-1，增加為原來的約表1碳納米管活化前和活化后的孔結構數據碳納米管活化前（a）和活化后（b）的TEM.5倍；但中孔孔容始終占據著主要的地位。我們知道，小于2nm的微孔，對于有機電解液而言，是不能有效地儲存和釋放電荷的，只有大于等于2nm的孔，即中孔和大孔才能有效地實現能量的儲存與釋放。所以活性碳納米管比表面積的增大，特別是活性碳納米管的中孔和大孔孔容，即有效比表面積的增大，對于其電化學容量的提高是非常有利的。

　　為這兩種碳納米管的等溫吸脫附曲線。由知，活性碳納米管的等溫吸脫附曲線明顯高于活化前碳納米管的等溫吸脫附曲線，從而證明活性碳納米管對。2的吸脫附能力大大高于活化前的碳納米管對。2的吸脫附能力，而且由曲線的走勢，也驗證了表1中的結果，活化處理并沒有改變碳納米管的孔主要是中孔和大孔的事實。從而預示著活性碳納米管對有機電解液中的離子的吸脫附能力明顯優于活化前的碳納米管。從而使得活性碳納米管的電化學容量是活化前碳納米管電化學容量的2倍的，但碳納米管本身的納米中空管結構并沒破壞。

　　這樣一來，就大大增加了碳納米管的管壁的比表面積。所以我們認為，活性碳納米管比表面積的提高就是由于長的碳納米管被打斷，光滑的碳納米管表面變粗糙，使得碳納米管的管內中空結構和更多的表面可以被利用而造成的。

　　至于用KOH對碳納米管進行高溫處理，改變碳納米管的微結構的原由，我們認為主要是KOH在高溫下，分解為K2O和H2O，然后這些分解物再與碳納米管上相對活躍的C發生反應，從而造成對碳納米管的局部破壞，根據破壞的程度，將碳納米碳納米管活化前（a）和活化后（b）的HRTEM圖管打斷或粗糙表面。詳細的機理，我們將在其它文章中解釋。

　　結論本文對比了碳納米管活化前和活化后分別用于電化學超級電容器電極材料時不同的電化學容量性能。研究結果表明，碳納米管經活化處理后，由于碳納米管被打斷或局部被破壞，從而釋放出更多的空間和更大的面積可以用來實現對電荷的儲存和釋放，使得活性碳納米管的電化學容量大大的提高，有力地證明活性碳納米管比一般的碳納米管更適合做電化學超級電容器的電極材料。