中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所孟國文、韓方明團隊，與特拉華大學魏秉慶教授以及清華大學李曉雁教授合作，在團隊前期以三維互連碳管網格膜為電極構建高性能濾波雙電層電容器（Science 2022, 377, 1004-1007；Nano Research 2023, 16, 12849-12854；Joule 2024, 8, 1080-1091）的基礎上，提出了精確調控三維互連多孔陽極氧化鋁模板的孔結構、構筑高排列密度的三維互連碳管納米陣列電極的新策略，通過提高垂直碳管分布密度有效提高了電極的活性比表面積，同時保持垂直碳管陣列的高取向性，由此構建的新型雙電層電容器相比傳統(tǒng)鋁電解電容器具有體積更小的優(yōu)勢，展現(xiàn)出用作高性能小型化濾波器件的巨大潛力，相關成果發(fā)表在Nano-Micro Letters (Nano-Micro Lett. 2024, 16, 235)。

隨著小型化、便攜式和可穿戴電子設備的快速發(fā)展，對微型電子元件的需求日益增加。濾波電容器是電子設備的核心關鍵部件，可將電壓波動信號轉換為恒定的直流電，保證電子器件穩(wěn)定運行。通常這些功能是由鋁電解電容器（AECs）完成，但其大的體積、低的電容量限制了電子設備的小型化。雙電層電容器（EDLCs）具有遠高于AECs的能量密度，成為替代AECs用作小型化濾波電容器的潛在候選。然而，EDLCs傳統(tǒng)碳基電極內緩慢的離子輸運，使得實現(xiàn)同時具有高能量密度和快速頻率響應能力的EDLCs，仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。

團隊利用具有三維互連孔結構的陽極氧化鋁（3D-AAO）模板，設計制備了三維互連碳管（3D-CT）陣列網格膜，其中相互連接的縱向碳管與橫向碳管提供了穩(wěn)定的高取向結構和快速的離子輸運通道，表現(xiàn)出優(yōu)異的濾波性能。如果能進一步提高3D-CT納米陣列電極的比表面積，將會進一步提高器件的面積比電容，從而使器件的體積更小，這對各類高端電子產品的小型化、輕量化與便攜化極其重要。因此，構筑具有更高比表面積的3D-CT納米陣列電極，以平衡濾波EDLCs的能量密度和頻率響應性能，是濾波電容器更加小型化面臨的難題與挑戰(zhàn)。

三維互連多孔陽極氧化鋁模板（3D-AAO）通常是在磷酸電解液中、195 V的高電壓下通過陽極氧化含微量雜質的鋁片而獲得。這種模板的垂直孔的孔徑（DP，~250 nm）和孔間距（Dint，~450 nm）較大，因此由此模板獲得的3D-CT電極的碳管密度較低，比表面積較小。通常情況下，直孔AAO模板的孔徑和間距與陽極氧化電壓間存在線性關系。若能降低陽極氧化電壓，則有可能獲得具有較小垂直孔徑和間距的3D-AAO模板，從而獲得高密度的3D-CT電極，大幅提高其比表面積。然而，利用現(xiàn)有技術難以直接在低電壓下制得垂直孔徑和間距較小的3D-AAO模板。

研究團隊系統(tǒng)研究了精確控制3D-AAO模板孔結構的方法，通過調控陽極氧化條件（包括電壓、電解液組成和濃度以及溫度等），成功實現(xiàn)了3D-AAO的垂直孔的孔徑在70 – 250 nm、垂直孔之間的間距在100 – 450 nm范圍內連續(xù)可調。利用3D-AAO模板輔助化學氣相沉積法，制備了高排列密度的三維互連碳管（簡稱3D-CACT）納米陣列電極。BET測試結果表明，減小垂直管徑和間距，能夠有效地提高電極的比表面積。

科研人員進一步以3D-CACT為電極，組裝雙電層電容器。測試發(fā)現(xiàn)器件在120 Hz下具有-80.2°的相位角、小于0.07 Ω cm2的等效串聯(lián)電阻以及0.25毫秒的較短電阻-電容（RC）時間常數(shù)，表現(xiàn)出快速頻率響應性能。該器件在120 Hz下的面積比電容達到3.23 mF cm-2，遠高于商用鋁電解電容器（約0.08 mF cm-2），并且高于迄今報道的三明治構型的水系濾波超級電容器的面比電容。上述結果表明，3D-CACT納米陣列電極能夠同時提供高速離子傳輸通道和豐富電荷吸附位點，具有優(yōu)異的濾波性能。

濾波電容器在實際應用中，常常需要滿足高額定電壓的要求。因此，科研人員對標6.3 V和10 V的商用鋁電解電容器，分別將六組和十組相同的基于3D-CACT電極的器件進行串聯(lián)，以擴展電容器的工作電壓。測試發(fā)現(xiàn)，器件串聯(lián)后仍保持較好的頻率響應性能，并具有較短的弛豫時間和較低的損耗。該結果表明所制備的電容器具有高穩(wěn)定性和均勻性，在串聯(lián)時能夠保持穩(wěn)定的性能，具有實際應用潛力。隨后，科研人員以十組串聯(lián)器件為濾波器，進行交流濾波應用演示，以驗證器件的濾波性能。研究發(fā)現(xiàn)，器件能夠將正弦型的市電和其它各種不同類型的輸入交流信號（如方波、三角波和噪聲波等）濾波為平滑的直流信號，濾波效果可與商業(yè)AEC相媲美。此外，科研人員自制了旋轉式摩擦納米發(fā)電機來模擬環(huán)境中的不連續(xù)脈沖交流輸出，驗證了濾波電容器組對該信號同樣具有出色的脈沖平滑能力。

綜上所述，基于高密度三維互連碳管納米陣列電極的雙電層電容器具有優(yōu)異的濾波性能，有望為高性能濾波電容器的研究提供新思路，推動小型化電力系統(tǒng)和電子器件的發(fā)展。此外，該研究提出的結構可調模板輔助法在納米材料的尺寸定制化制備和開發(fā)可集成微器件方面具有較大應用潛力。      上述工作得到國家自然科學基金委和合肥物質院院長基金等資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01458-6

圖1. 高排列密度三維碳管納米陣列電極的設計策略和制備流程。

圖2. 垂直孔/管密度可調的3D-AAOs和3D-CTs的形貌和結構特征。

圖3. 基于垂直碳管密度可調的三維碳管電極的雙電層電容器的電化學性能。

圖4. 交流線路濾波性能演示。