[发明专利]一种核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列及其制备方法与应用，属于超级电容器技术领域。本发明公开了一种核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列，所述核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列的相成分为单晶3C‑SiC和非晶SiO，且SiO中碳含量为1‑5at％，硅含量为40‑48at％，氧含量为50‑55at％。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，涉及一种核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列及其制备方法与应用。

背景技术

现阶段，超级电容器大规模应用的障碍仍然是其过低的能量密度。解决这一问题的难点在于不牺牲功率密度和循环稳定性的前提下，开发具有更高能量密度的超级电容器。按照超级电容器的能量密度计算公式： E＝1/2CV²，能够提升超级电容器的能量密度的途径主要有两种：1)提高超级电容器的电容；2)拓宽超级电容器的电位窗口。混合超级电容器一种独特的器件组装结构，通常电极分别采用的电池电极和电容电极，这种独特的器件结构设计使其兼具高电容和宽电位窗口的优点。

锌离子混合超级电容器是目前混合超级电容器领域内的研究热点，其以电池型锌阳极和电容型阴极在锌离子电解液中组成，融合了电容器快速电荷存储能力及电池高能量密度的特点。并且锌元素在地壳丰度高、分布广泛、易加工、无毒等方面，具有显著的优势。另外Zn离子具有双电子氧化还原特点(Zn0/2+)，因而具有更高的能量存储效率。目前锌离子超级电容器的研发的重点仍然是电容型正与锌负极容量匹配的问题。为了匹配Zn 负极容量，组装器件时不得不使用更大面积或质量的正极材料，这会显著增加Zn离子混合超级电容器的器件组装难度。因此，进一步提高正极容量是Zn离子超级电容器实用化研发亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种具有高容量的核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列，并且与Zn片组成的超级电容器具有优异的电化学性能。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列，所述核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列的相成分为单晶3C-SiC和非晶SiO，且SiO中碳含量为1-5at％，硅含量为40-48at％，氧含量为50-55at％。

单晶的SiC具有较高的结构稳定性，刻蚀过程将一部分SiC转化为非晶SiO，SiO为平行于纳米线方向的片层结构，片层结构增大了比表面积，有利于SiO材料快速能量存储，使具有更高的容量。

作为优选，所述核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列的直径为400-700nm，线长度为10-30μm；其表面有平行于纳米线方向的SiO片层结构。

作为优选，所述核/壳结构的SiC@SiO纳米线阵列由沉积SiC纳米线的碳布在刻蚀液中刻蚀制成。

本发明采用刻蚀的目的是为了将双电层储能的SiC材料转化成容量更高的赝电容储能材料SiO。

作为优选，所述刻蚀液为0.5-2M的硫酸溶液。

刻蚀所发生的电化学反应机理为：

SiC+2H₂O+4h⁺→SiO+CO+4H⁺

SiC+4H₂O+8h⁺→SiO₂+CO₂+4H⁺

溶液中的SO₄^2-特定的电极电势下(E₀＝2.01V vs SHE)，会发生如下反应：

2SO₄^2-→S₂O₈^2-+2e^-