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近年来,随着环境问题的日益深重和化石能源的日渐枯竭,发展高效清洁的能源储存与转化器件迫在眉睫。超级电容器具有比锂离子电池更高的功率密度,且充电速度快,得到了研究者的广泛关注。类石墨烯层状过渡金属碳化物碳化钛(Ti3C2)MXenes作为一种新型二维纳米材料,在超级电容器电极材料领域显示出了应用潜力。然而,由于Ti3C2片层易堆叠,使得单纯Ti3C2作为超级电容器电极材料的质量比容量不高。针对上述问题,为进一步改进Ti3C2的电化学性能,本论文利用协同效应采用不同的合成方法,将风琴状Ti3C2和超薄Ti3C2纳米片分别与导电聚合物聚吡咯(PPy)、衍生碳和金属氧化物四氧化三钴(Co3O4)复合制备具有高性能的超级电容器电极材料。具体研究内容包含以下四部分:(1)采用低温原位化学氧化法在HCl溶液中制备不同质量比的风琴状Ti3C2/PPy纳米颗粒复合材料。Ti3C2/PPy-2复合材料作为超级电容器电极材料展示了杰出的电化学性能。在扫描速率为2 mV s-1时,Ti3C2/PPy-2比容量可达184.36 F g-1,与单纯Ti3C2比容量相比提高约37.67%;并且在连续4000圈恒电流充放电循环后,实现了 83.33%的比容量保有率。两种不同储能机制材料的协同效应,使得Ti3C2/PPy-2的电化学性能得到改善提高。(2)为了进一步提高PPy/Ti3C2复合材料的质量比容量,通过一步低温原位聚合方法制备具有优异电化学性能的异质结构超薄Ti3C2纳米片/PPy球纳米复合材料。当Ti3C2加入量为70 mg时,最有利于形成独特的3D结构。在三电极测试系统中,复合材料PPy/Ti3C2-70(S2)在2 mV s-1的扫描速率下,比容量高达458 Fg-1,与单纯Ti3C2的质量比容量相比增加了大约2.47倍。并且S2展示了良好的循环稳定性。当组装成对称超级电容器时,能量密度为21.61 Wh kg-1,功率密度为499.94 W kg-1。而且在4000次充放电测试后,比容量保有率为73.68%。S2优良的电化学性能得益于:Ti3C2优异的亲水性,使其表面末端官能团能够充分分散在水系电解液中与PPy骨架表现出强π-共轭和静电力作用从而紧密复合。并且Ti3C2大的比表面积提供了更多的亲核活性位点,与PPy的复合阻碍了它们互相自发的团聚和堆叠,使得S2拥有较小的固有电阻和电荷传输电阻。(3)为了进一步提高Ti3C2复合材料的循环稳定性,采用两步法,首先通过低温化学浴法合成超薄Ti3C2/PAP(PPy与PANI共聚物)空心球,进而通过热处理法热解超薄Ti3C2/PAP空心球,最终合成超薄Ti3C2/N-C空心球(热解的PAP空心球,即氮掺杂的C空心球,简称N-C空心球),并作为超级电容器电极材料。实验结果表明:N掺杂的纳米空心C球成功的负载在皱褶状超薄Ti3C2表面并且显著地提升了复合Ti3C2/N-C电极的电化学性能。在三电极测试系统下,Ti3C2/N-C电极在扫描速率为2 mV s-1时,比容量为205.09 F g-1,约为单纯Ti3C2比容量的1.77倍;而且在1 A g-1电流密度下进行4000圈循环后,比容量保有率仍能达到93.97%,表现出较好的倍率性能和循环稳定性。当组装成对称超级电容器时,能量密度为16.39 Wh kg-1当功率密度400.05 W kg-1时,即使当功率密度为3998.68 W kg-1时,能量密度仍有6.72 Wh kg-1。在4000次充放电测试后,比容量保有率为78.26%。(4)过渡金属氧化物作为另外一大类重要的赝电容电极,将Ti3C2作为良好的导电基体与理论比容量高的Co3O4复合,制备得到超薄Ti3C2/花状Co3O4电极材料,进一步用于超级电容器电化学性能研究。以六水合硝酸钴为钴源,尿素和氟化铵作为沉淀剂,依次通过水热法和热处理,得到Ti3C2/Co3O4复合电极材料。结果表明:尺寸较小、形貌均匀的Co3O4纳米花成功的负载在褶皱的超薄Ti3C2表面与层间,并且表现出了良好的电化学性能。Ti3C2/Co3O4电极在扫描速率为2 mV s-1时,比容量为297.98 F g-1,约为单纯Ti3C2比容量的2.64倍;而且在1 A g-1电流密度下进行充放电测试4000圈后,比容量保有率仍能达到84.18%,表现出较好的循环稳定性。