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超级电容器,是一种新型的储能元器件,其基本工作原理和性能区别于传统电容器,具有高功率和长寿命等诸多优点,是近年来储能领域的研究热点之一。根据双电层理论,比表面积越大,碳材料的比电容就越大。理论上,清洁石墨的面积比电容为20μF·cm-2,以石墨烯为例,其理论质量比容量可高达550 F·g-1。但是,石墨烯在还原或者热解是时候,由于含氧官能团的减少,石墨烯片层之间容易因π-π作用而出现团聚和堆积,大大降低了有效比表面积,水系电解液中所测得的比电容一般低于300 F·g-1,远低于理论值。本论文通过将石墨烯与纳米碳材料进行复合,以改善其电化学性能。具体研究内容如下:(1)采用浸入还原法制备了石墨烯/碳纳米管纸自支撑复合材料,石墨烯片层均匀的附着在碳纳米管纸的表面,有效地缓解了石墨烯薄膜在还原过程的团聚和堆垛,形成GN/CNTP多孔的结构。电化学测试表明,GN/CNTP复合材料具有较高的面积比电容,电流密度在3.2 m A·cm-2时,其面积比电容值为18.1 m F·cm-2;此外复合材料还具有优异的倍率特性和良好的循环稳定性。(2)通过将多孔碳纳米纤维与石墨烯进行自组装,制备出了具有多级孔道结构的自支撑复合材料,并研究了其超电容性能。在复合材料中,多孔碳纳米纤维在充放电过程中提供快速的电子、离子传输通道,其自身还具有丰富的介孔结构,不仅能够缩短离子传输路径,也可提供较大的比表面以供形成双电层。石墨烯在还原之后具有优良的导电性,可提高复合材料的整体传导性能。相比于石墨烯材料,多级结构的复合材料具有较大的比表面积,合理的孔结构和孔径分布,在6M KOH电解液中,其比容量可达到270 F·g-1,并且具有良好的倍率性能以及循环稳定性。(3)采用溶胶凝胶的方法制备了掺氮碳纳米纤维/石墨烯水凝胶(NCNF/GH)自支撑复合材料,NCNF均匀的穿插在GH片层中,形成NCNF/GH三维多孔的结构。氮元素的掺杂可以提高碳材料的电子导电性,另外对表面润湿性也有一定程度的改善。对材料进行电化学性能测试,在0.5 A·g-1的电流密度下,比电容值为300 F·g-1,电化学性能的提高归因于石墨烯比表面积的有效利用和高比电容的掺氮碳纳米纤维。(4)通过两步法方法制备了掺氮碳泡沫/石墨烯水凝胶(NCF/GH)自支撑复合材料,石墨烯水凝胶片层均匀的附着在碳泡沫骨架上,形成CF/GH三维多孔的结构。三维多孔的结构有利于离子和电子的快速传输。在0.5 A·g-1电流密度下,其比电容值为331 F·g-1。复合材料在其他方面具有重大前景。