超级电容器,又称电化学电容器,由于具有高的功率密度、快速充放电和长的使用寿命,已经引起了人们的极大关注。超级电容器的性能很大程度上由电极材料的结构决定。因此探索合理的结构以期获得高性能的电极就显得尤其重要。石墨烯,作为一种新型的二维材料,具有超高的理论比表面和优异的物化性能,被认为是超级电容器理想的电极材料。然而,化学法制备的石墨烯表现出较差的电导率、极易团聚和有限的比电容,极大限制了其在超级电容器中的应用。聚苯胺,作为典型的赝电容材料,同时具有易合成、良好的化学稳定性和高的赝电容,引起了人们广泛的研究,但聚苯胺在充放电过程中受到掺杂与去掺杂的作用,结构易发生变化甚至坍塌,导致比电容衰减严重。因此,本文的研究内容主要集中在石墨烯的修饰与改性及利用石墨烯提升聚苯胺的循环稳定性,旨在获得较高的比电容和良好循环稳定性的超级电容器电极材料。化学掺杂异质原子可以有效地改善石墨烯的性能。采用预掺杂和水热法相结合,制备了高掺杂氮原子的石墨烯及其与纳米四氧化三钴的复合材料。石墨烯中氮原子的掺杂量达到11.7%,极大地改善了石墨烯的导电性,同时抑制了石墨烯团聚,最终石墨烯表现出良好的电化学性能。在氮掺杂石墨烯/四氧化三钴(HNG/Co3O4)复合材料中,Co3O4纳米颗粒均匀的负载在石墨烯表面,颗粒尺寸在80-100 nm。通过高掺杂氮原子的石墨烯与均匀分布的Co3O4间的相互作用,复合材料的倍率特性及循环稳定性相比与单一的HNG和Co3O4都有明显的提升。当电流密度为0.2Ag-1时,复合材料的比电容为355.9Fg-1。电流密度增加到5A g-1时,比电容能够保持80.6%,在循环1000次后,比电容仍然保留了初始的84.5%。因此对石墨烯进行掺杂与负载改性能够获得较高的比电容和良好循环稳定性的石墨烯基复合材料。为了系统地研究石墨烯表面官能团对聚苯胺形貌及石墨烯/聚苯胺复合材料电化学性能的影响,选择了四种不同官能团化的石墨烯:氧化石墨烯(GO)、石墨烯(G)、氨基化石墨烯(GN)和磺基化石墨烯(GS),用于制备复合材料。SEM结果表明,电负性的官能团有利于聚苯胺在石墨烯表面形成垂直整齐的纳米棒阵列,因此GS表面上生成了有序的PANI纳米阵列,形成的三维结构赋予了复合材料巨大的电解液浸入面积以及有效的电解液电荷的扩散路径,同时GS中的质子促进了聚苯胺在充放电过中的掺杂与去掺杂过程。因此在四种复合材料中,PANI-GS在电流密度为0.2 A g-1条件下表现出最高的比电容,达到863.2 F g-1,同时表现出良好的倍率特性,当电流密度增大到5 Ag-1时,比电容仍然保留了67.4%(581.6 Fg-1)。设计和合成良好稳定性的结构材料用于高性能的超级电容器仍然面临很多挑战,特别是聚苯胺电极材料。这里我们设计合成了一种多层次异质结构的石墨烯@聚苯胺@石墨烯复合材料,此复合材料由空心的聚苯胺作为中间层,石墨烯作为内外包覆层构成的。形成了空心三明治结构,不仅能够增大复合材料的比表面积,同时也提升了复合材料的电导率,更为重要的,内外包覆层的石墨烯抑制了聚苯胺分子链结构在充放电过程中受到的破坏(收缩与变形)。因此作为超级电容器电极材料,复合材料相比于纯的聚苯胺表现出更大的比电容,当电流密度为0.5 A g-1时,比电容达到682.75 F g-1。在循环1000次后,比电容仍然保持在92.8%,循环10000次也能够保持87.6%,相比纯的PANI(84.1%)有了明显的提升。同时,当电流密度增大到20 Ag-1,比电容还有217.11 Fg-1,表明复合材料具有良好的倍率特性。因此一定程度上解决了聚苯胺的循环稳定性差的问题。.采用共价键化学接枝是一种改进聚苯胺的循环稳定性有效的途径。本文提出将聚苯胺共价键接枝于还原氧化石墨烯(rGO)表面,制备一种聚苯胺纳米棒共价键复合石墨烯的多层次结构复合材料。首先通过重氮化反应将4-氨基苯官能团接枝在rGO表面,然后采用原位氧化聚合法,制备了三维结构的PANI-rGO复合材料。这种三维结构不仅形成了丰富的空隙有利于电解液的储存,缩短了电解液电荷进入活性物质表面的路径。更为重要的,复合材料的循环稳定性得到了显著的提升。作为超级电容器电极材料,复合材料在0.2A-1电流密度条件下,比电容为1045.51 Fg-1,同时在循环1000次后,比电容仍然保持了初始值的94.8%。这主要是由于聚苯胺分子链通过共价键固定与rGO表面,结构稳定性得到了提升。另外,复合材料的界面电阻也减小了,进而表现出良好的倍率特性。在0.2A g-1电流密度条件下,超级电容器的能量密度可实现8.3 Whkg-1。