21世纪,能源问题无庸置疑是一个巨大的挑战。随着全球变暖等气候问题的日益严峻以及常规化石燃料的日益枯竭,这不仅要求人们要加快开发清洁、可持续和可再生的能源以及有效控制二氧化碳等温室气体的排放,而且要求人们发展更加先进的能量存贮和控制装置,从而满足世界范围内的能源需求。超级电容器能够提供短暂但是极高的功率,很可能成为下一代最重要的能源存储装置。开发和研制一种先进的超级电容器,高容量的活性电极材料是不可缺少的。本文采用不同的合成方法制备了不同微观形貌的氧化锰、碳／氧化锰以及碳／聚苯胺复合材料并将其用作超级电容器电极材料,通过XRD、SEM、TEM、Raman、XPS等技术对其微观结构和形貌进行了分析,通过循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等测试方法对其电化学性能进行了研究。本文分别采用微波法和水热法制备了具有不同微观形貌的MnO2并考察了微观形貌对MnO2电化学性能的影响。实验结果表明,与微波法制备的棒状MnO2相比,水热法制备的层状结构的MnO2具有较好的电化学性能,其最高比容量为242 F·g-1,功率密度最大可达10.4kW·kg-1,200次循环后比容量增加了8.1%。为了改善Mn02的导电性,我们采用水热合成的方法制备了纳米石墨片(GNPs)/MnO2复合材料,同时又采用微波法制备了碳纳米管(CNTs)/MnO2复合材料及石墨烯(graphene)/MnO2复合材料,考察了不同碳载体对复合材料微观结构和电化学性能的影响,并研究了合成机理。GNP/MnO2复合材料中MnO2是由α-MnO2和γ-MnO2组成的混晶,其比容量(基于MnO2)随着复合材料中纳米石墨片含量的增加而单调增加,最大比容量为276.3 F·g-1,当复合材料中纳米石墨片的含量仅为10%时,复合材料的比容量(基于复合材料)可达158 F·g-1。CNT/MnO2复合材料中MnO2为层状结构的birnessite-MnO2,并且复合材料中MnO2的含量随着初始反应物KMnO4含量的增加由15%增大至57%。对于CNT-15%MnO2复合材料,当扫描速度为1mV·s-1时电极的比容量(基于MnO2)为944 F·g-1(理论比容量的85%),在500mV·s-1时的比容量仍达522 F·g-1。对于CNT-57%MnO2复合材料,最高比容量(基于复合材料)为239.1F·g-1。当能量密度为25.2 Wh·kg-1时功率密度为45.4W·kg-1。石墨烯/Mn02复合材料中Mn02为具有层状结构单斜晶系的birnessite-MnO2,MnO2的晶粒尺寸较小(5-10nm)且粉末近似无定形,纳米级的MnO2粒子分散在石墨烯纳米片的表面,并且优先在石墨烯纳米片的边缘部分生长。graphene-78%MnO2复合材料的最高比容量(基于复合材料)为310 F·g-1,当扫描速度增加至500 mV·s-1时比容量仍可达228 F·g-1。据我们所知,这是目前为止报道的C/MnO2复合材料中比容量的最高值。复合材料在较宽的电压扫描范围内具有较高的电容保持率,当扫描速度为100mV.s-1时,电容保持率为88%,在500 mV·s-1时仍能保持在74%,500次循环后复合材料的比容量仅衰减了1.5%。另外,我们还尝试以石墨烯作为沉积载体通过原位聚合的方法成功制备了石墨烯／聚苯胺复合材料,聚苯胺纳米粒子(-2 nm)均匀地包覆在石墨烯纳米片的表面。复合材料的最高比容量(基于复合材料)为1046 F·g-1,当功率密度为70 kW·kg-1时能量密度为39 Wh·kg-1。但是随着扫描速度的增加,其电容保持率显著降低,并且电极的电化学循环性能较差。最后,为了解决石墨烯／聚苯胺复合材料循环性能较差的问题,向石墨烯／聚苯胺复合材料中引入1%的碳纳米管,聚苯胺纳米粒子优先在石墨烯纳米片的表面生长。石墨烯／碳纳米管／聚苯胺复合材料的最高比容量(基于复合材料)为1035 F·g-1,1000次循环后比容量较初次循环仅衰减了6%,而石墨烯／聚苯胺和碳纳米管／聚苯胺复合材料分别衰减了52%和67%。