[发明专利]高储能聚合物纳米管电容器阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术与器件设计领域，特别涉及高储能聚合物纳米管电容器阵列的制备方法。

背景技术

随着微电子器件以及纳米电子器件日新月异的发展，对能源存储供应提出了更多的要求。开发性能稳定、可靠，而且可再生、更轻便的储能材料逐步引起人们的重视。在高度集成化及微电子浪潮的推动下，人们对纳米尺度储能器件的需求越来越迫切。聚合物介电材料具有优异的加工性能，良好的柔韧性，在很多应用场合有取代传统介电材料的趋势，引起广泛的关注和研究，尤其在微电子领域有望成为储能材料的后起之秀。

发明内容

本发明的目的在于提出了以聚合物介电材料为介质的纳米管电容器阵列的概念，该纳米电容阵列可以看成数以亿计的微电容并联而成，可实现极高的储能密度。具体为：

用模板合成法制备聚合物介电材料纳米管，管的长度和壁厚可控。管的内外壁分别通过特定工艺制作出电极，充当电容器的两极板。以长度50μm，管外壁直径D_O=200nm，内壁直径D_i=100nm为例说明(如附图1所示)。电容的计算方法为

C=ϵ0ϵrAd]]>

其中C为电容器的电容；ε₀为真空绝对介电常数，其大小为8.854×10^-12Fm^–1；ε_r为相对介电常数，以聚偏氟乙烯为例，其ε_r为9；A为有效储能面积，对于管状微电容器来说，A为内壁面积，A=πD_ih=3.14×100nm×50μm=1.57×10^-11m²；d为两极板间的距离50nm，即纳米管的壁厚。在此情况下，单根微电容的电容量C=8.854×10^-12Fm^–1×9×1.57×10^-11m²÷50×10^-9m=2.5×10^-32F。

在直径为12mm、厚度为50μm的模板上可以合成10¹³个的纳米管，即制的纳米管电容阵列是10¹³个的微电容器的并联。并联总电容C_总=10¹³×2.5×10^-32F=2.5×10^-19F=10^-7pF。

模板选用的是多孔氧化铝（AAO）薄膜，可以根据需要通过选择不同规格的模板来制备不同尺寸的聚合物纳米管阵列，从而调整并联微电容的数量；电介质可以是聚偏氟乙烯、聚苯乙烯等不同介电常数的聚合物；聚合物管的不同形成工艺可以制备不同的纳米储能电容。

对于管状电容器的内外两个电极，制备纳米碳管作为外极板，金属作为内极板（见附图1）。纳米碳管及嵌套在内的聚合物纳米管直立于ITO玻璃上成阵列（见附图2），再在管内制作内电极即可。

本发明的技术方案是：高储能聚合物纳米管电容器阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）将孔径为40-300nm、孔深10-100nm、膜直径为10-25mm多孔氧化铝薄膜作为模板，先后在去离子水和无水乙醇中超声清洗10分钟后真空干燥，备用；

步骤2)制备纳米管电容器的外极板：

将丙烯腈单体在负压作用下充入步骤1处理过多孔氧化铝薄膜模板，然后浸入丙烯腈单体的饱和水溶液中，再加入浓度为2.0%的过硫酸铵溶液和浓度为1.0%的亚硫酸氢钠溶液，在50℃下反应2-3个小时后加入适量的碳酸钠溶液使反应终止，产物聚丙烯腈（PAN）沉积在管壁上，在氮气保护下600-750℃热解30-40分钟，降到室温即可得到内孔壁附着纳米碳管的多孔氧化铝薄膜，其中，所述丙烯腈单体的饱和水溶液、过硫酸铵溶液和亚硫酸氢钠溶液三者用量的体积比为40:4:5；