碳纳米管作为碳材料的一种,因其良好的导电性、机械性能、稳定性能等受到科研界和工业界的青睐。作为超级电容器电极材料,纯碳纳米管的存储性能有限,而氮掺杂或与金属钴形成包覆结构,则能很大程度提高碳纳米管材料的电容存储性能。本文借助氧化锌纳米线的合成为基础,并以其为模板制备厚度、直径可控的碳纳米空心管,对其形貌、电容性能进行表征;通过氮掺杂修饰等手段改善其导电性,表面亲水性,以及增加其表面电化学活性位点,提高其作为能量存储材料的电容量存储性能;通过碳纳米管与金属钴复合成碳包覆钴的特殊材料结构体系,并作为电容器电极材料,研究其电容等性能。本论文获得的主要创新结果如下:1.利用氧化锌表面的催化性能,将作为碳源的酒精分解成碳质材料,并均匀地沉积在氧化锌纳米线表面,控制反应条件,合成出厚度可控(3-6 nm),且管壁具有丰富介孔结构的碳纳米管材料;研究不同合成温度、不同时间长度、不同气体流量对合成的碳纳米管的厚度、结构的影响。经过BET测试,当管壁厚度控制在3 nm时,合成的碳纳米管材料比表面积达到1124 m~2/g,管壁孔洞直径分布在10-30 nm,拉曼光谱中缺陷峰D峰与G峰的强度比I_D/I_G为0.996,缺陷程度较低,而石墨化程度较高。最后作为电极材料,从不同厚度的碳纳米管的循环伏安曲线、恒流充放电、交流电阻抗谱等各项性能,得到当纳米管厚度为3 nm时,0.5 A/g的电流密度下,比电容能达到193 F/g,而厚度为6 nm时,比电容为90 F/g;充分说明,厚度为3 nm时,碳纳米管材料更加利于电解液离子在材料内部的扩散并形成双电层电容。2.通过通以氨气的方式对合成的碳纳米管材料进行氮掺杂,比较不同掺氮温度,时长等条件对材料电容存储量等性能的影响。得到在条件为700℃的温度,掺杂时长为5h时,其比电容最高,5 A/g的电流密度下能达到317 F/g,且远大于纯碳纳米管的147 F/g,且随着电流密度提高到200 A/g时,比电容依然能达到5 A/g时比容量的64.4%,同时还具备突出的循环稳定性,在10A/g下充放电20000次之后,比电容能余留初始容量的95%。根据XPS光谱各元素谱峰的不同强度,得到700℃-5h条件下所掺杂碳纳米管材料中氮的原子比例为6.7%。借助拉曼光谱分析得到,光谱中缺陷峰D峰与G峰强度比I_D/I_G,由纯碳纳米管材料的0.996提高到掺氮后的1.024,氮掺杂引发的缺陷增加,提高了材料的比电容性能。3.借助氧化锌纳米线模板表面附着钴的前驱体并镀碳,再还原钴前驱体、去氧化锌模板的基本原理及方法,实现碳纳米空心管包覆钴颗粒的材料体系结构的合成,将材料制作成电容器电极,研究其比电容等性能。根据循环伏安曲线,碳纳米空心管包覆钴的材料体系发生了高度可逆的氧化还原反应,有极大的赝电容被引入,而从恒流充放电曲线中可以计算出此材料体系的比电容在1 A/g的电流密度下能达到3375 F/g,相比纯碳纳米管材料,提高将近10倍,且随着电流密度增加,复合材料的比电容依然保持强大,在200 A/g时达到1500 F/g,而在15 A/g的电流密度下,循环充放电1500次之后,依然有88.7%的初始比容量能剩余。碳纳米管包覆钴的复合材料体系结构一方面通过钴颗粒表面发生的氧化还原反应,引入赝电容的机理,提高电容器的电存储容量;另一方面,由于金属钴包覆于碳纳米管内,可以防止在氧化还原过程中钴被溶解于电解液,从而提高其作为电容器电极材料的可靠性和稳定性。