高密度碳管纳米阵列设计使滤波电容器小型化

研究团队构建了高密度三维碳管纳米阵列电极，用于线路滤波电容器，展现出作为高性能微型滤波装置的巨大潜力。

滤波电容器对于将波动的电压信号转换为稳定的直流电至关重要。铝电解电容器 (AEC) 是常用的电容器，但它们体积较大且电容有限，这使得现代电子产品很难缩小。

电双层电容器 (EDLC) 具有更高的能量密度，使其成为小型滤波电容器应用的有前途的替代品。然而，传统的碳基 EDLC 离子传输速度较慢，难以同时实现线路滤波所需的高能量密度和快速频率响应。

该团队由中国科学院合肥物质科学研究院孟国文教授、韩方明教授带领，与美国特拉华大学魏秉清教授、清华大学李小燕教授共同合作，对精准操控三维互联多孔阳极氧化铝(3D-AAO)模板的孔结构进行了系统研究。

他们通过连续调节3D-AAO的垂直孔径从70纳米到250纳米，孔间距从100纳米到450纳米，取得了显著的成果。利用这些可调模板，他们通过化学气相沉积制备了三维紧凑排列的碳管(3D-CACT)纳米阵列电极。

比表面积测试表明，减少孔径和间距可显著增加电极的表面积。

由此产生的基于 3D-CACT 电极的装置表现出优异的频率响应性能，其特点是 120 Hz 时的相位角为 -80.2°、小于 0.07 Ω cm 2的超低等效串联电阻和 0.25 ms 的快速电阻电容时间常数。

值得注意的是，其在 120 Hz 下的比面积电容达到 3.23 mF cm -2，远远超过商用 AEC(~0.08 mF cm -2)和之前报道的水合夹层线过滤 EDLC。这凸显了 3D-CACT 纳米阵列促进高效离子传输和提供丰富电荷吸附位点的能力。

此外，研究人员通过串联 6 组和 10 组相同的基于 3D-CACT 的 EDLC 证明了其方法的可扩展性，成功地扩展了电容器的工作电压，同时保持了其快速频率响应和低损耗特性。

为了展示该发明的实用性，他们采用了 10 个串联设备作为滤波器，有效地将各种交流电输入(包括正弦波、方波、三角波、噪声波以及来自旋转摩擦纳米发电机的脉冲信号)转换为平滑的直流信号，滤波性能可与商用 AEC 相媲美。

孟教授表示：“高密度3D-CT纳米阵列电极为高性能滤波电容器、先进的微型电力系统和电子产品提供了有希望的解决方案，而结构可调的模板辅助方法可以实现纳米材料的尺寸定制，并促进创新型可集成微型器件的发展。”