凭借着其超高的比表面积、良好的导电性、发达的孔洞网络、优秀的导热性以及吸波性能,石墨烯气凝胶在催化、储能、吸附、导热和电子领域有着重要的作用和潜能。然而石墨烯气凝胶的制备过程复杂且性能受到水热过程中各参数的影响大。同时,纯石墨烯气凝胶材料是一种依靠表面积提供电容的双电层电容材料,其导电性以及比电容都需要进一步提升。针对上述问题,采用氮、碘以及锰掺杂的手段对气凝胶结构以及性能进行改进。氮掺杂的主要目的是提高气凝胶的结构强度以及比表面积。碘掺杂主要是降低材料的电阻率并且提供一定的赝电容。锰掺杂则是为了使气凝胶搭载赝电容材料,提升材料容量。此外,还研究了掺杂过程中水热时间对材料结构的影响。所得材料在三电极以及双电极体系下进行了电化学性能测试,研究掺杂对材料性能的影响。具体实验内容如下所示。(1)氮掺杂石墨烯气凝胶的研究。以乙二胺以及氨水为添加剂利用水热法合成了氮掺杂石墨烯气凝胶。对制备过程中干燥方法、水热时间以及添加剂比例对材料性能的影响做了研究。实验发现,随着水热时间的延长,自组装进行得更加充分,比表面积以及孔容都在不断提高。但在超过18小时后,孔容呈现缩小的趋势。此外不同添加剂比例的实验组展现出了不同氮源的作用。实验发现,氨水有助于增强气凝胶的结构、丰富气凝胶的孔洞网络而乙二胺能够提高材料的容量。最终使用氮掺杂成功提高了气凝胶比表面积以及结构强度。通过氮掺杂制备出比表面积为848.383m~2/g和孔容为2.632 ml/g的氮掺杂石墨烯气凝胶。并且该气凝胶在三电极测试中,1 A/g的电流密度下拥有145 F/g的比电容。同时用其组装的扣式电容在0.5 A/g的电流密度下进行了1000圈循环寿命测试,展现出了高稳定性。(2)碘掺杂石墨烯气凝胶的研究。使用两步水热的方法以碘化氢为碘源制备了碘掺杂石墨烯气凝胶。对制备过程中的水热时间以及碘化氢浓度的影响做出了研究。实验发现更长的水热时间以及更高的碘化氢浓度都能使得气凝胶的比表面积增大、孔容减小。经过碘掺杂成功增强了气凝胶的电导率及比电容,得到比表面积为718.421 m~2/g、电阻率为198 mΩcm的碘掺杂石墨烯气凝胶。同时在三电极测试中,该气凝胶在0.1 A/g的电流密度下拥有246 F/g的容量并且在电流密度为0.5A/g的扣式电容循环寿命测试中经过1000次循环后无衰减,容量维持在108 F/g。(3)锰掺杂石墨烯气凝胶的研究。使用水热法,以氯化亚锰为锰源合成了锰掺杂石墨烯气凝胶。研究了锰源添加量对材料结构及性能的影响。实验发现随着锰掺入量的提升,气凝胶的比表面积以及孔容呈现下降趋势。同时制备的锰掺杂石墨烯气凝胶在电流密度为0.1 A/g的三电极测试中展现出了180 F/g的容量并展现出赝电容性能。在装配成扣式电容后,在0.5 A/g的电流密度下经过1000次循环后容量保持率为93%。