● 摘要
以石墨烯为代表的双电层电容材料和以导电聚合物为代表的赝电容材料是超级电容器电极材料的两种典型类型。本论文通过将石墨烯与赝电容材料进行复合及杂化，制备出了一系列的石墨烯复合材料及石墨烯杂化材料，并对其进行了结构表征和循环伏安测试及充放电测试，系统地研究了复合材料及杂化材料的结构对其比电容量和循环稳定性的影响。对聚吡咯纳米管和石墨烯的复合进行了研究，制备出了一种同时具有双电层电容材料和赝电容材料优点的复合材料石墨烯/聚吡咯纳米管复合材料。对此复合材料的结构分析说明，石墨烯和聚吡咯纳米管之间存在着强的范德华力。对此复合材料应用于超级电容器时的性能测试结果显示，石墨烯/聚吡咯纳米管复合材料在0.3 A/g 的电流密度下的比电容量达369 F/g，在1.5 A/g的电流密度下的比电容量为314 F/g。将电导率呈梯度变化的石墨烯、聚吡咯、二氧化锰纳米管组装成了一种具有循环稳定性和高电容量特性的石墨烯/二氧化锰/聚吡咯纳米管复合材料。超级电容器性能测试结果显示，石墨烯/聚吡咯纳米管/二氧化锰纳米管复合材料在0.3 A/g的电流密度下的比电容量为469.5 F/g。2000次循环充放电测试结果显示此复合材料可以有效地综合石墨烯、聚吡咯纳米管和二氧化锰纳米管的循环稳定性及高电容量的优点。对比研究了聚苯胺纳米纤维和聚吡咯纳米管的超级电容器性能。结果显示，聚吡咯纳米管在0.3 A/g的电流密度下的比电容量为463 F/g，高于聚苯胺纳米纤维的比电容量。在0.8 A/g的电流密度下, 聚吡咯纳米管的比电容量为172 F/g, 同样高于聚苯胺纳米纤维。在1.5 A/g的电流密度下，经过长时间的充放电循环后，聚吡咯纳米管的剩余比电容量仍高于聚苯胺。但由于聚吡咯的可溶性较聚苯胺差，限制了聚吡咯的应用前景。使用酰氯化反应和取代反应，将聚苯胺纳米纤维接枝到了石墨烯氧化物上的，制备出了聚苯胺-石墨烯氧化物杂化材料，对其进行还原，得到了聚苯胺纳米纤维-石墨烯杂化材料。超级电容器性能测试结果显示，在0.3 A/g的电流密度下，聚苯胺-石墨烯杂化材料的比电容量为623.1 F/g。在50 A/g的电流密度下经过长时间的充放电循环后，此杂化材料的剩余比电容为510 F/g。对聚苯胺-石墨烯杂化材料的结构与超级电容器性能之间的机理研究结果显示，酰胺键对石墨烯和聚苯胺之间的π-π共轭结构的形成起到了电子桥作用，π-π共轭结构促进了石墨烯和聚苯胺之间的电荷的传输，从而提高了循环稳定性，同时提高了比电容量。将聚苯胺通过酰胺键直接连接到化学还原石墨烯上，制备出了聚苯胺-石墨烯杂化材料。超级电容器性能测试结果显示，在0.3及1 A/g的电流密度下，该杂化材料的比电容量分别为579.8及361.9 F/g。在3 A/g的电流密度下进行的200次充放电循环测试结果显示，此杂化材料的电容保持率为96 %。对聚苯胺-石墨烯杂化材料良好的循环稳定性的机理分析说明，酰胺键通过电子桥的作用将石墨烯和聚苯胺连接起来，并形成了π-π共轭结构，形成的π-π共轭结构对提高杂化材料的循环稳定性起到了关键作用。