作为一种新型的储能器件,超级电容器具有充放电速率快、功率密度高、循环寿命长、安全性能好等优点,因此在能源、交通运输、军事和生物技术等方面都具有非常广阔的应用前景,引起了世界范围内的普遍关注。与现在应用较广泛的锂硫电池和铅酸电池相比,超级电容器的功率密度更高,循环稳定性更好,但是其不足之处是能量密度较低,这限制了其在某些领域中的应用。电极材料是超级电容器中最重要的组成部分,其性质直接决定着超级电容器的性能,因此目前大量的研究主要集中在电极材料上。超级电容器的电极材料主要包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等。目前,应用最广的为碳材料,同时也是最早被用来作为超级电容器的电极材料。石墨烯因其具有较高的比表面积,良好的导电性、热稳定性和化学稳定性等优点,被认为是理想的超级电容器的电极材料。石墨烯气凝胶(graphene aerogel,GA)是利用氢键、官能团和共轭π键将二维的片层石墨烯自组装成一种三维的石墨烯材料,能有效抑制石墨烯的团聚,因此其应用更为广泛。本文制备了一些杂原子共掺杂石墨烯凝胶并作为电极材料应用于超级电容器中,主要研究内容如下:1.以氧化石墨烯(graphene oxide,GO)和具有还原性的离子液体为原料,通过控制反应物的质量比、反应温度及时间,制备出N/S共掺杂的石墨烯水凝胶材料,将其冻干后得到水凝胶(N/S-GA1)。将其应用到双电层超级电容器(EDLC)中,运用多种电化学测试手段对其电化学性能进行测试,结果表明,当电流密度为1 A/g时,比容量为182 F/g;当电流密度为10 A/g时,比容量为127 F/g。对应的能量密度分别为99.9 Wh/kg和62.3 Wh/kg,展现出优异的电化学性能。2.将2-巯基-1-甲基咪唑作为还原剂和掺杂剂,与GO反应制备出一系列N/S共掺杂石墨烯气凝胶材料并将其作为超级电容器的电极材料,以比容量为判断依据,对反应条件(时间、温度、物料比)进行优化,从而选择出最佳的反应条件。将最优条件下制备的N/S共掺杂石墨烯气凝胶(N/S-GA2)作为超级电容器的电极材料,对其组装的超级电容器进行电化学测试,结果表明,当电流密度为1 A/g时,比容量为212 F/g,对应的能量密度和功率密度分别为116.9 Wh/kg和1.0 k W/kg;当电流密度为10 A/g时,比容量为162 F/g,对应的能量密度和功率密度分别为82.1 Wh/kg和9.5 k W/kg。和N/S-GA1相比,N/S-GA2展现出更好的电容特性。3.以无毒的2-巯基苯并咪唑与GO通过一步水热法反应,在最佳反应条件(200℃,2-巯基苯并咪唑与GO的质量比为2:1)下制备出N/S共掺杂石墨烯气凝胶材料(N/S-GA3)。将其作为超级电容器的电极材料,展现出较好的电化学性能。当电流密度为1 A/g时,比容量为206 F/g,对应的能量密度和功率密度分别为104.7 Wh/kg和1.0k W/kg。由于此方法中用到的原料无毒无害,以此材料作为双电层超级电容器的电极材料符合绿色能源的理念,具有较大的应用前景。本文中用三种不同的还原剂制备的N/S共掺杂石墨烯气凝胶均展现出较高的比容量和能量密度,具有较广的应用前景。