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碳因为具有来源丰富、价格低廉、导电率高、稳定性好、密度低、安全环保等特点,使其纳米复合材料成为储能领域的热点研究对象之一。影响其大规模应用的瓶颈问题是比容量低,难以满足大功率用电设备的使用要求。碳及其复合材料是超级电容器电极材料的组成之一,其微观形貌、孔隙结构、比表面积、表面化学性质以及导电性是影响超级电容器性能的重要因素。通过结构及成分设计,开发具有高比容量的新型碳基复合材料被认为是提高超级电容器电化学性能的有效手段。本论文针对不同成分、结构的碳基纳米复合材料进行制备及电化学性能研究,所制备的碳基纳米复合材料包括活性碳纤维-二硫化钨纳米复合材料、活性碳纤维-钛酸钠纳米复合材料、活性碳纤维-石墨烯纳米复合材料以及石墨烯-类普鲁士蓝纳米复合材料。通过低成本、便捷的合成方法,对碳基纳米复合材料的成分、结构进行调控,增大其比表面积,丰富其有效电化学活性位点,引入赝电容机制,系统地研究目标材料成分、结构与电化学性能之间的关系,揭示其储能机理及构效关系。本论文的主要研究内容如下:(1)以聚丙烯腈为前驱体,结合静电纺丝技术及碳化-活化一步法得到直径均一的活性碳纤维。利用水热法,在活性碳纤维表面原位合成二硫化钨纳米片,得到兼具双电容和赝电容特性的活性碳纤维-二硫化钨纳米复合材料(ACF-WS2)。表征发现,片厚大约为20 nm的二硫化钨纳米片相对均匀的钉扎在活性碳纤维表面。以活性碳纤维-二硫化钨纳米复合材料为正极,活性碳纤维为负极,PVA/KOH凝胶为电解质,组装非对称准固态超级电容器。电化学测试发现,当电流密度为1 A g-1时,超级电容器的质量比容量可以达到254.6 F g-1,对应的体积比容量为550.8 F cm-3。此外,鉴于钨元素较重,所得活性碳纤维-二硫化钨纳米复合材料的比表面积低至10.8 m2 g-1,所以通过在水热过程中加入三段共嵌物F127,得到活性碳纤维-多孔二硫化钨纳米复合材料(ACF-WS2-P),其比表面积高达72.3m2 g-1。以活性碳纤维为正极,以活性碳纤维-多孔二硫化钨复合材料为负极,组装钠离子混合电容器,在电流密度为1Ag-1的情况下,质量比容量可以达到166.89 F g-1;当电流密度为15 Ag-1时,比容量可以达到76Fg-1。(2)以上述所得活性碳纤维为基体材料,通过水热法,在其表面原位合成钛酸钠(Na2Ti3O7)纳米片,得到活性碳纤维-钛酸钠纳米复合材料(ACF-NTO)。表征发现,活性碳纤维能够有效抑制钛酸钠纳米片的堆叠,进而增加材料的比表面积。同时,活性碳纤维的引入能够增加电极材料的电子传输通道,缓解钛酸钠纳米片在电化学过程中的体积应变,同时,薄的钛酸钠纳米片能够促进电解液离子的渗透和传输,进而改善电极材料的电化学性能。将活性碳纤维作为正极,所得活性碳纤维-钛酸钠纳米复合材料作为负极,组装钠离子混合电容器,当电流密度为1Ag-1时,质量比容量可以达到76.8 Fg-1;当电流密度为10Ag-1时,比容量可以达到36Fg-1。(3)利用改进的Hummer法制得氧化石墨烯。在室温条件下,通过活性金属锌箔与弱酸作用释放电子,将氧化石墨烯还原。与此同时,完成与前述实验所得活性碳纤维的自组装。以尿素为氮源,结合冷冻干燥技术,对所得复合材料进行氮掺杂后处理,最终得到含氮量高达11.89%的活性碳纤维-石墨烯纳米复合材料(ACF-rGO-N)。表征发现,二维石墨烯能够很好的嵌入到直径约为300 nm的活性碳纤维间隙中。同时,以活性碳纤维-石墨烯纳米复合材料作为电极材料,PVA/KOH凝胶作为电解质,组装准固态超级电容器。当电流密度为0.2 A g-1和10 A g-1时,比容量达到254 Fg-1和176 Fg-1,并且在3 Ag-1的条件下,循环10 000次后,容量保持率达到99%。(4)利用反相微乳液法制备石墨烯-类普鲁士蓝纳米复合材料(rGO-NiHCF)。表征发现,铁氰化镍纳米颗粒均匀的生长在石墨烯表面,即二维石墨烯能够有效缓解铁氰化镍纳米颗粒的团聚,从而增加其比表面积。在0.5 M的Na2S04中,当电流密度为0.2 A g-1和10 A g-1时,质量比容量分别为415 F g-1和386 F g-1。为进一步提高石墨烯-类普鲁士蓝纳米复合材料的电化学性能,通过金属效应引入更多的电化学活性位点,利用反相微乳液法合成石墨烯-铁氰化镍钴纳米复合材料(rGO/Ni-CoHCF)。研究发现,双金属铁氰化铁氰化镍钴纳米颗粒与石墨烯能够很好的结合在一起,且在0.5 M的Na2S04中,当电流密度为0.2Ag-1时,质量比容量高达466Fg-1。此外,将所得石墨烯-铁氰化镍钴纳米复合材料作为钠离子电池正极进行电化学性能测试,当电流密度为0.1Ag-1时,质量比容量为118mAhg-1。