[发明专利]一种碳纳米管阵列及其制备方法与在制备超级电容器中的应用

权利要求书

1.一种碳纳米管阵列，其特征在于：所述碳纳米管阵列由定向排列的碳纳米管和与所述定向排列的碳纳米管垂直排列的碳纳米管组成的圆束；所述碳纳米管的直径为0.6～20nm，所述碳纳米管的比表面积为500～1300m²/g；所述碳纳米管阵列的长度为10μm～1mm，所述碳纳米管阵列的直径为其长度的10％～50％。

2.权利要求1所述碳纳米管阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)将过渡金属的可溶性盐溶液与Mg和/或Al的可溶性盐溶液的混合溶液与碳酸铵水溶液、钼酸铵水溶液和氨水中至少一种进行沉淀反应得到催化剂前驱体颗粒凝胶；所述过渡金属为Fe、Co、Ni和Mo中至少一种；

(2)将SiO₂和/或ZrO₂球形颗粒分散于所述催化剂前驱体颗粒凝胶中得到浆状物；将所述浆状物进行干燥和焙烧后得到催化剂粘附于SiO₂和/或ZrO₂球形颗粒表面的复合粉体；

(3)将所述复合粉体置于固定床反应器或流化床反应器中，然后通入氢气与氮气的混合气体进行还原反应，再通入碳源、氢气和载气的混合气体进行生长反应即得所述碳纳米管阵列。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述可溶性盐溶液均为硝酸盐水溶液或氯化物水溶液；所述可溶性盐溶液的摩尔浓度均为0.1～2mol/L；所述催化剂前驱体颗粒凝胶中催化剂前驱体颗粒的粒径为1～10nm。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述SiO₂和ZrO₂球形颗粒的粒径为200～1000μm；所述SiO₂和/或ZrO₂球形颗粒与所述催化剂前驱体颗粒凝胶的质量份数比为(5～15)∶1。

5.根据权利要求2-4中任一所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述干燥的温度为100～120℃，所述干燥的时间为8～24小时；所述焙烧的温度为300～700℃，所述焙烧的时间为8～24小时。

6.根据权利要求2-5中任一所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述复合粉体中，以所述过渡金属的质量百分含量计，所述过渡金属的氧化物的质量百分含量为0.1％～10％。

7.根据权利要求2-5中任一所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述氢气与氮气的混合气体中氢气的体积百分含量为5％～50％；所述还原反应的温度为500～700℃，所述还原反应的时间为0.5～1小时；所述碳源为C₁-C₆烃类化合物；所述载气为Ar或N₂；所述碳源、氢气和载气的混合气体的组成为：10～70％的碳源、20～50％的氢气和余量的载气，以上均为体积百分含量；所述碳源的总空速为60-600g/gcat/h；所述生长反应的温度为500～1000℃，反应的时间为1～2小时。

8.权利要求1所述碳纳米管阵列在制备超级电容器中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：将所述碳纳米管阵列用盐酸进行处理后得滤饼，将所述滤饼经干燥后再依次置于CO₂气氛和Ar气氛下进行热处理后得到纯化后的碳纳米管阵列；将所述纯化后的碳纳米管阵列压制成碳纳米管阵列膜；将所述碳纳米管阵列膜浸泡于有机电解液中并进行层层叠合压制，每层所述碳纳米管阵列膜之间用隔膜分开，然后接出正负极引线并压制导电盖板即得所述超级电容器。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述盐酸的摩尔浓度为0.1-1mol/L，所述盐酸处理的温度为30～50℃，所述盐酸处理的时间为1～5小时；所述干燥的温度为100～120℃，所述干燥的时间为20～24小时；所述CO₂气氛下热处理的温度为300～900℃，热处理的时间为1～10小时；所述Ar气氛下热处理的温度为1000～1200℃，热处理的时间为3～10小时；所述碳纳米管阵列膜的厚度为200～500μm，面积为25-1000cm2；所述有机电解液为四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/碳酸丙烯酯、1-乙基-3-甲基-咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺/碳酸丙烯酯中至少一种；所述浸泡在氧的质量含量小于0.2×10^-6与水的质量含量小于0.5×10^-6的环境中进行；所述超级电容器中所述碳纳米管阵列的质量百分含量为30～50％。