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基于电极表界面电化学反应的超级电容器具有高比电容、长循环寿命和使用安全等突出优点,作为一种新型储能器件显示出巨大的应用前景。然而,如何在保持高功率密度的前提下,进一步强化电极材料的反应动力学,并大幅提升其倍率性能和能量密度,仍是当前亟需解决的挑战性难题之一。围绕这一关键科学问题,本文采用不同的技术路线,设计合成了系列多尺度碳基复合材料,基于优化复合材料的孔隙结构、表面物理化学性质等策略,调控并改善了电极的离子和电子传输性能,成功实现了电极反应动力学和能量密度的提升。具体内容如下:以碳纳米管(CNT)为导电支撑体,采用尿素共沉淀法,制备了 CNT与镍钴铝层状氢氧化物(NiCoAl-LDH)纳米片耦合的多级复合材料。CNT的引入,有效提高了NiCoAl-LDH/CNT复合材料的导电性,其比电容(1035 F g-1)明显优于无CNT的纯NiCoAl-LDH(950 Fg-1)。以准零维的炭黑(CB)、一维的CNT、二维的还原氧化石墨烯(RGO)以及三维的CNT/RGO复合物为基本构筑单元,考察了不同类型的纳米结构碳对复合材料孔结构和导电性的影响,发现基于CNT/RGO和LDH纳米片构筑的复合材料具有较大的孔体积和较小的电荷传递电阻,呈现出最优的倍率性能(72%)。以柔性石墨纸为基底,采用温和的一步水热原位生长方法,成功构筑了碱式碳酸镍钴(NiCo-CH)纳米线与NiCoAl-LDH纳米片耦合的三维多孔复合材料LDH-NPs/CH-NWs。其中,线状NiCo-CH作为支撑网络,使NiCoAl-LDH纳米片得到有效分散,形成了有利于离子快速传输的相对疏松开放结构,并创造出更多的活性位。LDH-NPs/CH-NWs作为整体性电极,呈现出较高的比电容(1297 F g-1)和优异的倍率性能(59%)。与商业化活性炭(AC)结合,基于LDH-NPs/CH-NWs构筑的混合超级电容器其能量密度高达58.9 Wh kg-1。以氧化石墨烯(GO)为基本结构单元,采用一步水热法,辅以真空抽滤定向组装策略,实现了石墨烯与单分散NiCo-CH交替耦联的整体性复合膜G-CH的超快制备,整个过程在25 s内即可完成,G-CH复合膜的体积密度高达2.1 gcm-3。GO诱导产生的单分散NiCo-CH纳米线作为柱撑与石墨烯片层,形成了有利于离子快速传输的网络状疏松开放结构,进而呈现出较高的体积比电容(2936 Fcm-3)。将其与具有高导电网络结构的一维碳纳米管耦合,可以进一步提升G-CH复合膜的倍率性能。以NiCo-CH纳米线和石墨烯为基本组元,采用原位化学转化的合成策略,成功构筑了边缘高活性镍钴硫化物(Ni-Co-S)耦合石墨烯的二维复合材料Ni-Co-S/G。其中,涉及柯肯达尔效应的阴离子交换反应,亦即S2-的类刻蚀效应对Ni-Co-S物种之丰富边缘位的形成起到了至关重要的作用。发现Ni-Co-S的边缘位具有更高的电化学活性和强吸附电解液离子的能力,这是Ni-Co-S/G电极表现出较高比电容(1492Fg-1)和优异倍率性能(96%)的一个重要原因。与二维多孔碳纳米片(PCNS)结合,基于Ni-Co-S/G构筑的混合超级电容器兼具较高的功率密度(22.1 kWkg-1)和能量密度(28.4 Whkg-1)。以聚苯胺(PANI)为结构导向和桥联剂,采用均相共沉淀耦合高温退火处理的策略,实现了超薄镍钴氧化物(NiCo2O4)纳米片在石墨烯表面的可控垂直生长。研究发现PANI能够有效调控NiCo2O4纳米片的表面电子结构状态和各组分之间的耦合作用。所构筑的复合材料NiCo2O4-P-G具有三维开放的多级孔结构,其表面含有丰富的电化学活性位,进而呈现出优异的倍率性能(84%)和电化学稳定性。