超级电容器作为一种新型储能元件,具有能量密度高、循环寿命长、快速充放电的特点。电极材料的设计与制备对提高超级电容器的性能具有十分重要的意义。石墨烯具有优异的导电性、机械性能和良好的热力学性能,是一种理想的电容器电极材料。然而,石墨烯片层之间由于较强的π-π相互作用以及范德华力作用等而容易重新堆叠,限制了其工业化应用和应用领域。氮元素掺杂到石墨烯中可调节其电子结构,改善其物理化学性质,同时拓宽了石墨烯在场效应晶体管、超级电容器、锂离子电池、燃料电池、传感器等领域的研究应用。本文拟以氧化石墨烯(GO)为前驱体,采用经典的一步水热法制备了质轻氮掺杂石墨烯水凝胶(NGHs),利用均相沉淀法获得了三维氮掺杂石墨烯水凝胶/α-Ni(OH)2复合材料,探讨了其超级电容性能。主要工作如下:(1)三维氮掺杂石墨烯水凝胶的制备及性能研究。以GO为原料,尿素为还原剂和掺杂剂,采用一步水热法成功合成了一种具有良好超级电容性能的质轻氮掺杂石墨烯水凝胶。在水热反应过程中,尿素受热分解产生NH3,N元素以三种形态:吡啶氮、吡咯氮、石墨化的氮掺杂到石墨烯的骨架中。经过X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电镜(FESEM)和排水测密度法证实了这种石墨烯水凝胶具有较高的氮含量(6.04-6.84 at.%),较小的密度(水凝胶的密度约为0.81-0.94 g/cm3,气凝胶的密度约为0.021-0.028 g/cm3)以及大量的相互联系的多孔网状结构。电化学性能测试表明,这种质轻三维氮掺杂的石墨烯水凝胶具有优异的超级电容性能(在电流密度0.5 A/g,比电容达230.6 F/g)和良好的循环稳定性(1200次充放电循环以后,电容保持率仍达90%)。分析FE-SEM和透射电镜(TEM)的结果,可看到石墨烯水凝胶内部具有大量的三维多孔结构,同时也可看到还原氧化石墨烯的少量褶皱。X射线衍射(XRD)、拉曼表征(Raman)、热重分析(TGA)以及傅立叶变换红外光谱(FTIR)的测试表征都验证了 GO自组装形成石墨烯水凝胶的过程中,大量含氧官能团被还原以及碳碳双键的恢复。XPS证明了氮含量最高达6.84 at.%。最后,我们提出了石墨烯纳米片自组装的可能机理以及N元素掺杂到石墨烯骨架中的可能路径。(2)三维氮掺杂石墨烯水凝胶/α-Ni(OH)2复合材料的制备及性能研究。首先根据第一个实验体系合成NGHs,然后将其置于Ni(N03)2·6H20为镍源,尿素提供的碱性溶液中,按照氮掺杂石墨烯片与Ni(OH)2质量比为1:5～1:40,在70～90℃加热2～6h的温和加热条件下进行反应。本实验探究了制备三维氮掺杂石墨烯水凝胶/α-Ni(OH)2复合材料的最佳反应条件是氮掺杂石墨烯片与Ni(OH)2质量比为1:30,最佳沉淀剂是尿素,最佳反应温度为85℃,最佳反应时间是6h,并且反应中搅拌有利于Ni(OH)2纳米粒子的沉积。循环伏安测试,电化学交流阻抗和恒电流充放电测试结果表明,在85℃反应6h,氮掺杂石墨烯片与Ni(OH)2质量比为1:30的实验条件下制备的复合材料具有优异的超级电容性能,在50 mV/s时,其比电容值为1542.1F/g。FESEM结果显示Ni(OH)2纳米片团聚形成规则的球状结构。研究表明,氢氧化镍具有这种球状结构可以保持较高的比表面积和电化学使用率。此外,我们提出了这种纳米复合材料的可能形成机理,即均相沉淀法。尿素在70℃左右发生分解:(NH2)2CO+3H2O(?)2NH4OH+CO2↑,生成的NH4OH均匀分布在溶液中,可使Ni(OH)2沉淀均匀生成和分布在氮掺杂石墨烯片中。