魏秉慶&孟國文最新Science：高性能濾波電容器！

【導讀】

濾波電容器（Filter capacitors）在存儲器件和計算機的質量和可靠性方面發揮著至關重要的作用。電路濾波一直由鋁電解電容器（aluminum electrolytic capacitors, AECs）主導，但由于低體積電容，其始終是最大的電子元件。因此，開發新型小型濾波電容器對于滿足數字電路和便攜式電子產品的需求至關重要。雙電層電容器（electric double-layer capacitors, EDLCs）的高面積/體積電容使其成為理想的候選者，但受到緩慢的頻率響應（<1 Hz）的阻礙。EDLCs可用于濾波電路，將交流電（ac）轉換為直流電，但需要具有高頻響應以平滑剩余的交流電紋波。此外，預測EDLCs將具有高體積（CV）和面積（CA）比電容。目前，當EDLCs使用高負載的活性材料時，會聚集成多層形式或束，增加離子分布的阻力，導致響應緩慢。因此，高性能碳基過濾器EDLCs電極必須具有出色的結構穩定性，以在操作條件下保持其高體積和面積電容以及快速離子遷移。

【成果掠影】

在2022年8月25日，美國特拉華大學魏秉慶教授和中科院合肥物質科學研究院孟國文研究院（共同通訊作者）等人報道了一種具有高面積電容和快速頻率響應的互連和結構集成的碳管網格基雙電層電容器。在文中，作者使用三維（3D）碳管（CT）網格（three-dimensional carbon tube grid, 3D-CTG）作為電極制備出高性能線濾波EDLCs。該網格具有真正互連且結構集成的垂直和橫向CT（3D-CT），可以提供高結構穩定性、優異的導電性和有效的開孔結構，其借助于3D互連納米多孔陽極氧化鋁（3D-AAO）模板通過化學氣相沉積（CVD）方法合成。

具有連接相鄰垂直通道的橫向孔的3D-AAO模板是通過利用Cu雜質對Al箔進行陽極氧化，形成高度有序的垂直排列的納米通道，在通道壁中嵌入含Cu的納米顆粒，然后對通道壁納米顆粒進行選擇性濕化學蝕刻。通過熱解乙炔并去除模板，在3D-AAO納米多孔模板內生長CT后構建3D-CT。為增加比表面積并進一步增強CA，可修飾3D-CT，例如通過Ni催化劑在垂直和橫向CT（3D-CNT@CT）內填充直徑小得多的CNT-輔助CVD方法，或用KMnO₄進行表面處理。在所有頻率上，3D-CTG基EDLCs都能提供比AECs更高的電容，當頻率從10^-1增加到10³ Hz時，電容略有下降。其中，基于3D-RCT-12的EDLC的CA在120 Hz時達到2.81 mF cm^-2，比已報道的其他相位角小于-80°的濾波EDLC的CA更高。對于3D-RCT-10電極，120 Hz的CV可達到1.36 F cm^-3。研究成果以題為“Structurally integrated 3D carbon tube grid–based high-performance filter capacitor”發布在國際著名期刊Science上。

【數據概覽】

圖一、3D-CNT@CT網格的合成及性能?2022 American Association for the Advancement of Science

圖二、3D-CTG電容器的組裝結構和電化學阻抗譜?2022 American Association for the Advancement of Science

圖三、3D-CTG基EDLCs的頻率相關電容?2022 American Association for the Advancement of Science

圖四、比較單個EDLC和串聯EDLCs的性能?2022 American Association for the Advancement of Science

【成果啟示】

總之，作者成功地合成了具有3D真正互連、結構集成的CT網格的獨立式薄膜。3D-CT、3D-CNT@CT和3D-RCT的獨立式薄膜被用于制備EDLCs，并證明了有效地解決現有碳基EDLCs作為交流電時頻率響應慢的關鍵瓶頸問題。濾波電容以及商用AEC面臨的低CA和CV。這些結果為使用碳基電極實現高電容濾波電容器的小型化鋪平了道路，對于當前和新興的便攜式電子產品至關重要。

文獻鏈接：Structurally integrated 3D carbon tube grid-based high-performance filter capacitor. Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abh4380.

本文由CQR編譯。

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