319 / 2021-04-28 10:45:03

激光CVD法制备3C-SiC/石墨烯纳米森林薄膜及其电化学性能

3C-SiC；石墨烯；纳米森林；激光CVD；电化学性能

随着石油能源的日益减少和环境污染的日益严重，新一代的清洁储能装置的研究越来越受关注^[1]。超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、环境友好等优点，是电化学储能领域的研究热点，也是未来混合动力汽车和电动汽车优选的动力能源，具有广阔的应用前景，有望成为新型的绿色能源^[2-4]。3C-SiC材料具有优异的化学稳定性，良好的机械强度，宽带隙和高电子迁移率，最近已被证明有潜力作为负极材料应用于平面超级电容器^[5-11]。在碳化硅的同质多形体中，立方碳化硅是唯一能在硅（Si）基板上生长且性能优异的晶型，因此可以与成熟的硅半导体技术相兼容。然而，纯相的立方碳化硅的电导率较低，限制了其作为超级电容器电极材料的应用。3C-SiC/石墨烯复合材料不仅具有抗氧化、耐腐蚀、物理化学性质稳定、高强度等性能同时具有高电导率、高导热率等优异性质。在碳化硅/石墨烯电极材料中，石墨烯的优异电导性可以有效减小电极材料的内阻，形成三维导电网络，从而有利于双层电荷的累积。

本研究工作采用激光CVD技术，通过调整沉积参数，制备多孔“纳米森林”状，疏松的“菜花”状，致密的“金字塔”状的3C-SiC形貌。通过沉积工艺的控制，采用激光光刻作用在3C-SiC纳米晶须上原位生长石墨烯，形成3C-SiC/石墨烯纳米森林复合结构，利用3C-SiC/石墨烯纳米森林作为平面超级电容器的负极材料，研究其电化学性能，分析不同形貌、不同组分对电化学性能的影响。通过优化工艺流程和工艺参数，得到高双层电容、高循环稳定性的3C-SiC/石墨烯的制备工艺，T_dep = 1523 K，P_tot = 400 Pa和f_H2 = 500 sccm条件下沉积3C-SiC/石墨烯纳米森林复合薄膜纳米空隙结构分布均匀，无明显团聚生长现象，具有最优异的电化学性能。在0.5 M H₂SO₄溶液中电化学窗口为0.2-1，双层面积比电容可达8.533 mF/cm²（20 mA/cm²），体积比电容达到4.1 F/cm³。3C-SiC/石墨烯复合薄膜电极具有优异的倍率循环稳定性和长期循环稳定性，充放电10000个循环之后，电容保持率达到90.5 %。分析了3C-SiC/石墨烯纳米森林复合薄膜的生长机理和电化学储能机理。

随着石油能源的日益减少和环境污染的日益严重，新一代的清洁储能装置的研究越来越受关注^[1]。超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、环境友好等优点，是电化学储能领域的研究热点，也是未来混合动力汽车和电动汽车优选的动力能源，具有广阔的应用前景，有望成为新型的绿色能源^[2-4]。3C-SiC材料具有优异的化学稳定性，良好的机械强度，宽带隙和高电子迁移率，最近已被证明有潜力作为负极材料应用于平面超级电容器^[5-11]。在碳化硅的同质多形体中，立方碳化硅是唯一能在硅（Si）基板上生长且性能优异的晶型，因此可以与成熟的硅半导体技术相兼容。然而，纯相的立方碳化硅的电导率较低，限制了其作为超级电容器电极材料的应用。3C-SiC/石墨烯复合材料不仅具有抗氧化、耐腐蚀、物理化学性质稳定、高强度等性能同时具有高电导率、高导热率等优异性质。在碳化硅/石墨烯电极材料中，石墨烯的优异电导性可以有效减小电极材料的内阻，形成三维导电网络，从而有利于双层电荷的累积。

本研究工作采用激光CVD技术，通过调整沉积参数，制备多孔“纳米森林”状，疏松的“菜花”状，致密的“金字塔”状的3C-SiC形貌。通过沉积工艺的控制，采用激光光刻作用在3C-SiC纳米晶须上原位生长石墨烯，形成3C-SiC/石墨烯纳米森林复合结构，利用3C-SiC/石墨烯纳米森林作为平面超级电容器的负极材料，研究其电化学性能，分析不同形貌、不同组分对电化学性能的影响。通过优化工艺流程和工艺参数，得到高双层电容、高循环稳定性的3C-SiC/石墨烯的制备工艺，T_dep = 1523 K，P_tot = 400 Pa和f_H2 = 500 sccm条件下沉积3C-SiC/石墨烯纳米森林复合薄膜纳米空隙结构分布均匀，无明显团聚生长现象，具有最优异的电化学性能。在0.5 M H₂SO₄溶液中电化学窗口为0.2-1，双层面积比电容可达8.533 mF/cm²（20 mA/cm²），体积比电容达到4.1 F/cm³。3C-SiC/石墨烯复合薄膜电极具有优异的倍率循环稳定性和长期循环稳定性，充放电10000个循环之后，电容保持率达到90.5 %。分析了3C-SiC/石墨烯纳米森林复合薄膜的生长机理和电化学储能机理。