物理化学学报（碳纳米管微结构的改变对其容量性能的影响*江奇卢晓英赵勇于作龙1（西南交通大学材料科学与工程学院，成都610031；1中国科学院成都有机化学研宄所，成都表面积和孔容分别是活化处理前约3倍和1. 5倍的活性碳纳米管。将活化处理前后两种碳纳米管分别制作成电化学超级电容器电极，在充满氩气的无水手套箱组装成模拟电化学超级电容器，在恒流充放电模式下进行电化学可逆容量的测试，发现活性碳纳米管的电化学容量远高于活化前碳纳米管，是它的2倍。从而发现碳纳米管被打断，管壁变粗糙的活性碳纳米管比一般碳纳米管更适合用于电化学超级电容器电极材料。

　　量，二次电池也无法比拟的高功率，大电流放电，长的循环使用寿命等特点，日益成为世界各国能源研究的热点。

　　发现的一种新型材料，由于其独特的纳米中空管结构，引起了各界人士的关注。普遍认为CNTs用作ESC电极材料有独特的优越性，即结晶度高、导电性好、比表面积大、孔径分布集中在一定范围内（且孔径大小可控）。所以CNTs用作ESC电极材料业已成为ESC研究的热点。

　　CNTs用作ESC电极材料的研究已于1997年首先由美国的Hyperion公司报导，随后出现了许多研究小组，发现碳纳米管的结构对于它的电化学容量有较大的影响。进一步的研究发现，将CNTs进行活化处理而得到的活性碳纳米管在相同的测试条件下，可使其电化学容量上升一倍，本文主要讨论在活化处理过程中，碳纳米管微结构的改变对其电化学容量性能的影响。

　　为活性碳纳米管和碳纳米管分别组成的电化学超级电容器的恒流充放电曲线图。图中曲线a为活化前的碳纳米管，在恒定电流（0.2mA）下的充放电曲线，单电极质量为2.时间约400s，根据上面的电容计算公式，可计算出其单电极容量约为25.0Fg-1.曲线b为活性碳纳米管在恒定电流（0.2mA）下的充放电曲线，单电极质量为4.77mg，根据其放电时间约1800s，可计算出其单电极容量约为50.0Fg-1.而且，经测试表明，活性碳纳米管电极与活化前碳纳米管电极一样，都有良好的充放电效率和长的循环使用寿命。由此可见，碳纳米管经过这样的活化处理，就使得它的电化学容量由原来的25.0Fg-1增加到50.0F-g-1，提高了1倍。

　　表1是碳纳米管活化前后的孔结构数据。由表1我们可以发现，碳纳米管经活化处理后，比表面积由原来的194.1m2-g-1增加到510.5m2-g-1，增加为原来的约3倍；而总孔容也由原来的0. *g-1增加到0. *g-1，增加为原来的约表1碳纳米管活化前和活化后的孔结构数据碳纳米管活化前（a）和活化后（b）的TEM.5倍；但中孔孔容始终占据着主要的地位。我们知道，小于2nm的微孔，对于有机电解液而言，是不能有效地储存和释放电荷的，只有大于等于2nm的孔，即中孔和大孔才能有效地实现能量的储存与释放。所以活性碳纳米管比表面积的增大，特别是活性碳纳米管的中孔和大孔孔容，即有效比表面积的增大，对于其电化学容量的提高是非常有利的。

　　为这两种碳纳米管的等温吸脱附曲线。由知，活性碳纳米管的等温吸脱附曲线明显高于活化前碳纳米管的等温吸脱附曲线，从而证明活性碳纳米管对。2的吸脱附能力大大高于活化前的碳纳米管对。2的吸脱附能力，而且由曲线的走势，也验证了表1中的结果，活化处理并没有改变碳纳米管的孔主要是中孔和大孔的事实。从而预示着活性碳纳米管对有机电解液中的离子的吸脱附能力明显优于活化前的碳纳米管。从而使得活性碳纳米管的电化学容量是活化前碳纳米管电化学容量的2倍的，但碳纳米管本身的纳米中空管结构并没破坏。

　　这样一来，就大大增加了碳纳米管的管壁的比表面积。所以我们认为，活性碳纳米管比表面积的提高就是由于长的碳纳米管被打断，光滑的碳纳米管表面变粗糙，使得碳纳米管的管内中空结构和更多的表面可以被利用而造成的。

　　至于用KOH对碳纳米管进行高温处理，改变碳纳米管的微结构的原由，我们认为主要是KOH在高温下，分解为K2O和H2O，然后这些分解物再与碳纳米管上相对活跃的C发生反应，从而造成对碳纳米管的局部破坏，根据破坏的程度，将碳纳米碳纳米管活化前（a）和活化后（b）的HRTEM图管打断或粗糙表面。详细的机理，我们将在其它文章中解释。

　　结论本文对比了碳纳米管活化前和活化后分别用于电化学超级电容器电极材料时不同的电化学容量性能。研究结果表明，碳纳米管经活化处理后，由于碳纳米管被打断或局部被破坏，从而释放出更多的空间和更大的面积可以用来实现对电荷的储存和释放，使得活性碳纳米管的电化学容量大大的提高，有力地证明活性碳纳米管比一般的碳纳米管更适合做电化学超级电容器的电极材料。