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超级电容器作为未来能量存储的绿色器件,以其充放电速率快、循环寿命长、循环稳定性好、能量密度高等特点得到广泛关注。其储能性能主要依赖于电极材料,因此制备具有高性能、稳定结构的电极材料成为研究热点。众所周知,作为导电聚合物的聚苯胺(PANI)是超级电容器的优良电极材料,主要是由于其成本低、易于合成、高导电性、多氧化态和高理论赝电容等优点。然而,在高速率循环过程中PANI易发生显著的体积变化,导致其产生循环寿命减小、电容衰减以及电导率下降等不良后果。为了克服这些缺点,研究者们广泛研究了PANI和多孔碳的复合材料,例如石墨烯、活性炭和碳纳米管等。其中,石墨烯和PANI的复合材料受到相当的关注。石墨烯拥有独特二维结构和优异的物化特性,但在实际应用中由于片层之间强的相互作用而产生堆叠,导致比表面积大大减小。基于上述分析,我们以3D草坪纳米结构碳基质(PCM)为载体,并进一步制备了草坪状PCM/PANI纳米复合材料。本论文主要研究内容如下:本文采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),并通过稀释溶液法将聚苯胺纳米纤维组装在石墨烯片层表面形成GO/PANI复合物,随后通过对GO/PANI前驱体的碳化和碱活化处理,得到具有高比表面积的3D氮掺杂多孔碳基质(PCM),最后通过原位聚合将PANI包覆在PCM表面上,得到最终产物PCM/PANI纳米复合材料。同时还研究了碳材料制备过程中KOH的量对材料比表面积和孔径的影响,在石墨烯表面组装碳纳米纤维的作用以及苯胺浓度对最终产物的电化学性能影响。采用SEM、TEM、FT-IR、XRD、BET以及拉曼光谱对PCM碳材料和3D PCM/PANI纳米复合物的形貌和结构进行表征。同时将PCM和PCM/PANI复合材料分别作为工作电极,对他们进行电化学测试,研究其电容性能及循环稳定性等。通过实验研究得到以下结论:(1)对前驱体物质GO/PANI进行活化时,研究不同KOH与碳的质量比对活化后得到的碳材料的影响,其中当KOH与碳的质量比为2时,得到的PCM具有最大的比表面积、大量的微孔、较高的氮/碳摩尔比、良好的电化学稳定性以及高的比电容。(2)通过在PCM表面原位聚合PANI制备得到PCM/PANI复合材料。通过SEM、TEM、FT-IR、XRD、BET以及拉曼光谱等一系列表征,证明聚苯胺纳米纤维很好的生长在PCM表面,并保持良好的草坪状结构。此外,根据复合材料与碳材料的对比,发现他们之间存在强的相互作用力,并起到良好的协调作用。(3)探究不同苯胺浓度对复合物性能的影响发现当苯胺浓度为0.05mol/L时,制备得到的PCM/PANI复合材料具有最佳的电化学性能,这是由于该新型结构有着高界面面积、快速电荷转移路径以及短的离子扩散通道。同时电解液离子可沿聚苯胺纳米纤维壁进入材料内部,进一步提高了电极材料的利用率与电化学性能。此外,草坪状碳基质对于聚苯胺的锚定,可以大大减小聚苯胺在充放电过程中的坍塌形变,从而大大提高材料的循环稳定性。电化学测试结果表明,材料在1 A g-1的电流密度下比电容为527 F g-1。在电流密度为10 A g-1时经过1000次恒电流充放电循环,其比电容保持率为88%。因此,具有良好电化学性能的PCM/PANI复合材料有望成为高性能超级电容器的优良电极材料。