随着微型可穿戴电子产品等产业的迅猛发展,新能源储存材料与器件已成为科学和技术发展的焦点,而超级电容器由于具有高功率密度、快速充放电速率和长周期寿命的优点,在能量储存领域引起了国际学者和工业界的关注。低成本和规模化制备薄膜状电极,以实现更高的能量密度和功率密度,是大规模电化学储能领域的发展趋势。然而,电极制备领域存在厚度与电容不可兼得的矛盾,即:当厚度较大时大部分电极材料对储能无法产生实质性贡献,且会从基体表面脱离。针对以上问题,本论文通过二维纳米材料阵列结构的设计,以铜片和泡沫铜作为原材料和电极集流体,成功制备了“站立式”CuO纳米片相互交叉构成的多孔膜电极和CuO-Cu3P分级多孔膜电极,并通过系统研究尺寸(膜厚度)与比电容的定量关系,对电极的电化学性能进行了优化,成功解决了在较厚电极中离子传递速率受限的问题,使电极材料的利用率获得了极大的提升。本文主要研究成果概括如下:(1)以薄片状铜作为原材料和电极集流体,通过简单的一步水热氧化法,在Cu基底表面生长出由单层CuO纳米片相互交叉构成的均匀多孔膜。这种“站立”的均匀CuO纳米片阵列避免了传统的电极制备方法往往导致二维纳米材料重新堆叠的问题。CuO纳米片的厚度仅有30 nm,且单个片边缘存在很多褶皱和波浪状缺口,大大提高了电化学比表面积和活性位点。同时,表面氧化使得原位生成的CuO纳米结构“根植”于Cu基体,极大提高了薄膜与基底间的结合力和导电性。通过探索反应温度对CuO形貌的影响,确定了最佳反应温度为120℃;研究了多孔CuO膜的质量、厚度对电极电化学性能的影响。结果表明,当CuO多孔膜质量密度为0.24 mg cm-2时,在电流密度0.25 mAcm-2下,电极的比电容值可达337.81 F g-1。(2)为了显著提升电极性能,采用低密度、高比表面的泡沫铜作为原材料和电极集流体,通过简单的一步水热氧化法,在泡沫铜圆柱形骨架的表面生成了 CuO纳米片构成的均匀多孔膜,并对性能进行了优化。结果表明,随着多孔膜厚度(CuO在整个电极中质量比)的持续增加,比电容先增加后减小,当CuO多孔膜厚度持续增加到大于某一临界值后,电化学反应“死体积”比例增加,使得活性物质利用率降低。当CuO质量比为7.3 mg cm-2时,电容值最高达到869.57mFcm-2,这一数值是薄片状铜基体制备电极比电容的13倍。这是因为,泡沫铜集流体和纳米片相互交叉构成的三维多孔状结构增大了电极的比表面积,提供了大量的电化学反应活性位点,为离子的扩散提供了更多传输通道。面积比电容的提升有利于超级电容器器件向微型化和便携式发展,对实际应用有着重要意义。与其它化学方法相比,一步水热表面氧化法步骤简单,可实现电极的规模化制备。(3)为了进一步提高电化学性能,研究了泡沫铜骨架上表面CuO纳米片的磷化。通过调节磷化剂次磷酸钠的用量(m)控制CuO的磷化程度,从而实现了电容值的优化。当m<0.025 g时,CuO保持原有的形貌和结构;随着磷化剂质量的增加,CuO纳米片状逐渐发生粘连;当m>0.03 g时,CuO被完全磷化,然后在此条件下纳米片形貌变为不规则的球状。当m = 0.02 g时,CuO部分磷化成Cu3P,仍保留片状的阵列结构,材料表征结果证实为CuO-Cu3P复合纳米片。此时,电化学性能最佳,比电容值达到281.72 F g-1(电流密度为1mA cm-2),相比于CuO/Cu泡沫电容提升33.62%;而且,在15倍的电流密度下仍保持66.90%的比电容,表明具有很好的倍率性能。高电化学性能是由于磷化后Cu3P的晶体结构暴露出更多的电化学活性位点以及磷化物对材料导电性的提升,实现了材料的性能优化。