超级电容器因其功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽等性能优势,被认为是最具发展前景的能量存储与转换器件之一。但由于当前超级电容器的能量密度较低,这严重制约了其在实际中的应用。超级电容器的电极材料是决定其性能的关键,因此通过电极材料的优化设计来提高超级电容器的能量密度等性能受到广泛关注。碳材料和过渡金属氧化物/氢氧化物是最主要的两类超电容材料,其中碳材料的倍率和循环稳定性好,但是比电容较低;而过渡金属氧化物/氢氧化物的比电容高,但由于较差的导电性,其倍率和循环稳定性远不能满足实际需求。为了解决以上问题,将这两类材料复合则能够实现功能互补,也是该领域研究的重点之一。但是如何通过合理的材料结构设计与可控制备,实现结构规整、性能优异的复合电极材料的构筑仍是一个挑战。本论文工作针对上述问题,以一维纳米棒阵列作为模板,分别导向构筑了有序多孔碳层包覆的纳米棒阵列和碳纳米管包覆的纳米棒阵列。并且以所制备的有序碳纳米阵列为载体,采用电合成的方法成功实现了层状双金属氢氧化物(LDHs)在碳表面的高负载量包覆,制备了碳@LDHs核壳式纳米阵列复合电极材料,并在超电容方面实现了功能的协同:碳材料作为导电通道,极大提升了 LDHs的电子传输性能;而LDHs作为赝电容材料,提升了材料的比电容以及器件的能量密度,最终实现了复合材料的功能强化。进一步通过调控碳纳米材料的形貌、石墨化程度,以及LDHs的包覆量等因素,对所制备复合材料的超级电容器性能进行了优化设计,实现了高导电性、高负载量超电容电极的构筑。本论文工作为制备结构有序、性能优异的碳/过渡金属氢氧化物复合电极材料做了有益的探索并提供了可行方案。具体的研究内容如下:(1)模板导向制备多孔碳基纳米复合阵列材料及其超电容性能研究。首先利用水热法在泡沫镍上生长ZnO纳米棒阵列,再通过牺牲模板法在其表面包覆以Zn2+为金属离子节点,2-甲基咪唑为有机配体的金属有机骨架材料(ZIF-8)。将ZIF-8在氮气气氛下高温焙烧后,得到多孔碳包覆的纳米棒阵列。进一步采用电合成方法将CoNi-LDH 一步包覆在碳层阵列上,得到结构有序的ZnO@C@LDH核壳式纳米棒阵列材料。通过改变焙烧温度探究了碳层的形态、石墨化程度等对所制备电极材料性能的影响。发现当焙烧温度为650℃时,ZnO@C具有高度石墨化碳层的同时,其结构也能保持稳定。高的石墨化程度能够促使电子快速传递,使材料的导电性进一步提高。由于采用电化学的原位生长的方法将LDHs生长在微观碳基底表面,碳和LDHs之间结合牢固,因此材料具有很好的循环稳定性。并且有序的多级结构,也使所制备的ZnO@C@LDH电极材料具有较大的电化学比表面积,保证其与电解质溶液得到充分接触,因此具有较好的倍率性能。此外,我们也将ZnO@ZIF-8前体浸泡在Fe(NO3)3·9H2O溶液中进行Zn2+、Fe3+离子置换后,再在氮气气氛下450 ℃进行焙烧得到Fe2O3@C核壳式纳米棒阵列,并将其作为负极材料与所制备的ZnO@C@LDH正极材料组装成柔性固态器件。所制备的柔性器件具有优异的电化学储能性能。(2)原位催化导向制备碳纳米管基复合阵列材料及其超电容性能研究。首先在泡沫镍上水热合成Co3O4纳米棒阵列,再利用ZIF-67(以Co2+为金属离子节点,2-甲基咪唑为有机配体的金属有机骨架材料)在氢气气氛下高温热解出的含碳气体作为碳源,首次实现了在Co3O4表面原位催化生长碳纳米管,得到了结构有序的“树枝状”碳纳米管阵列。探究了不同的焙烧温度和时间对碳纳米管生长的影响,并使碳纳米管在长度和密度方面得到了精细调控。接着采用电合成方法将Co@CNTs与LDHs结合,得到了 Co@CNTs@LDH核壳式纳米棒阵列。由于“树枝状”碳纳米管阵列具有优异导电性的同时保持了较大的比表面积,这使LDHs赝电容材料在单位面积载体上的负载量相比上一个体系有了进一步提高(由2.8 mg cm-2到17.05 mg cm-2),因此所制备的碳@LDHs复合材料具有更大的能量密度(在充放电电流密度为2mA cm-2时,比容量由6.2578 F cm-2增长到23.09 F cm-2)。此外将ZIF-67高温焙烧后得到的碳材料直接作为负极与所制备的Co@CNTs@LDH核壳式纳米棒阵列组装成了柔性固态器件,其显示出优异的超级电容器性能。