● 摘要
超级电容器（Supercapacitor），即电化学电容器，是一种新型的能量存储装置。因其功率密度高、充放电速度快、循环稳定性优异和使用温度范围宽等优点，受到人们的广泛关注。电极材料作为超级电容器的核心部分，决定着超级电容器的主要性能。石墨烯（Graphene）材料具有优异的导电性、超高的理论表面积（2630 m2/g）和稳定的物理化学性能等特点，在超级电容器电极材料方面具有巨大的应用前景。但石墨烯片层间较强的范德华力，使其存在较为严重的团聚问题，从而导致比表面积降低和孔体积减少，严重阻碍了石墨烯的应用。
在石墨烯二维平面内创制纳米孔洞，不仅可以提高材料的表面积，增加材料的比电容，而且可以提供离子扩散通道，减小扩散阻力、提高倍率性能。本论文以二茂铁为碳源，以热解二茂铁产生的Fe2O3为刻蚀剂，通过模板辅助一步化学气相沉积（Chemical vapor deposition, CVD）法，在无机片层MgO和MgAl-LDO上生长具有分级纳米孔洞的大比表面积、少团聚的类石墨烯材料，主要研究工作如下：
以二茂铁为碳源，通过化学气相沉积法，在超薄多孔MgO纳米片上生长出无团聚的石墨烯纳米筛，其表面积高达1740 m2/g。进一步的结构表征显示，二维平面分布着大量的4-8 nm的中孔和100-200 nm的大孔。电化学结果发现，在6.0 mol/L KOH电解质中，当电流密度为0.5 A/g时，电容值达到303 F/g。两电极测试体系中，以KOH为电解质，当扫描速度达到1.0 V/s时，循环伏安曲线依旧保持较好的矩形，显示了电极材料高倍率性能的特点，在KOH和TEABF4/AN（1.0 mol/L）电解质中，弛豫时间常数（Relaxation time constant, t0）分别为473 ms和3.5 s，明显小于以面内无孔洞的化学还原石墨烯电极材料在同等条件下测定的时间常数。
以六边形的MgAl-LDO为模板，在相同的化学沉积条件下制备出六边形的碳纳米筛（Carbon nanomesh, CNM），系统研究了面内孔洞的形成过程。通过改变沉积时间、高温热解条件（时间和物质组成），确定了Fe2O3制孔机理和最优制备条件。发现改变沉积时间可控制孔密度，改变高温热解时间可控制孔尺寸。在优化的制备条件下（CVD时间为60 min，热解条件为800 ˚C保持90 min）得到的CNM的表面积为1440 m2/g，CNM二维面内分布着1-8 nm和20 nm的孔洞，孔密度为2.11 * 103 个/um2。以6.0 mol/L KOH为电解质，当电流密度为1.0 A/g时，电容值为271 F/g。两电极结果标明，在电流密度3.0 A/g下循环充放电3000次后，电容保持率为97.5%。进一步控制制备条件，可获得面内无大孔分布的碳纳米片（Carbon sheets, CS）。在相同电流密度下CNM-60-90比CS-60-90具有更小的电压降、更大的比电容、更高的电容保持率和更低的弛豫时间常数（0.46s vs 1.14 s）。