超级电容器又叫双电层电容器,是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件。电极材料作为超级电容器的重要组成部分,其性能的好坏直接决定电容器使用范围。研制性能优异、成本低廉、环境友好的电极材料被广大科研人员所关注。MnO₂因价格低廉、资源丰富、氧化价态多、环境友好以及具有超高的理论比容量等特性常被用作赝超级电容器电极材料。石墨烯由于其良好的电导率、优异的化学稳定性以及超高的理论比表面积,被认为是一种理想的超级电容器电极材料。但是,利用化学方法生成的石墨烯,由于碳原子间范德华力的相互作用极易使石墨烯各片层之间发生堆积,使得其比表面积无法与理论值相比,在用石墨烯作电极材料时,不能展现出足量的缺陷位点来储存能力,因而其比电容低于与理论值。基于此,本论文通过不同化学蚀刻法活化石墨烯制得多孔石墨烯,并将其分别与二氧化锰及三聚氰胺复合,制得多孔石墨烯/二氧化锰复合材料及氮掺杂多孔石墨烯复合材料,并研究它们作为超级电容器电极材料的电化学性能。主要研究内容和结果如下:1.GO通过KOH蚀刻后形成孔洞化石墨烯,再将其与MnO₂进行整合制备了一系列2DPG/MnO₂复合材料,通过TEM、XPS、XRD和Raman对其进行了结构表征,随后的电化学性能测试表明2DPG/MnO₂-3复合材料具有高的比电容和良好的循环稳定性。在电流密度为0.5A·g^-1时2DPG/MnO₂-3的比电容为214.7 F·g^-1,经过2000次循环充放电后比电容仍能保持在97.5%。优异的性能主要归因于2DPG/MnO₂-3复合材料上石墨烯片层上的孔洞化结构以及二者的协同效应,在比电容、循环稳定性等电化学性能方面都优于单一组的性能。2.先采用混酸回流-水热法制备具有多级孔结构的石墨烯,再将其与KMnO₄在30℃水浴中发生氧化还原反应制得到3DHG/MnO₂复合材料;电化学研究表明,制备的3DHG/MnO₂-3复合材料具有良好的电化学电容行为,在电流密度为0.5 A·g^-1时3DHG/MnO₂-3的比电容为192.2 F·g^-1,经过5000次循环充放电后仍能保持良好的稳定性,这一良好的性能与其自身的结构有着密切的联系,如三维多孔结构中彼此相连的孔隙有利于电解液与活性物质最大程度的接触,而面内多孔结构缩短了电解液离子和电子的传输路径,从而改善材料的电化学性能。3.由于氮原子半径与碳原子半径相似,且电负性比碳原子大,当适量地掺杂氮原子来取代碳材料中的碳原子时,氮原子会成为电子供体,提高碳表面负电荷的电荷迁移率,从而提高材料电化学性能。以氧化石墨烯为原料,先用混酸将GO活化,制备出孔洞氧化石墨烯,再以三聚氰胺为还原剂和氮源,加入不同量三聚氰胺,采用水热法制备出含有不同氮掺杂量的三维多孔氮掺杂石墨烯材料。SEM、TEM及N₂吸脱附测试表明,该方法合成的氮掺杂石墨烯材料二维面上拥有丰富的微孔结构,这些孔洞缩短了电解液离子和电子的传输路径,通过恒电流充放电测试表明,3DNHG-40拥有最好的超级电容性能,在电流密度为0.5 A·g^-1时3DNHG-40的比电容为230.1 F·g^-1,经过1500个循环后,仍显示出良好的循环稳定性。