超级电容器具有比电池更高的功率密度和循环寿命,具有比传统电容器更大的储能能力,因而具有广泛的市场价值和应用前景,然而其能量密度较低,制约了超级电容器的发展,对电极材料进行研究是解决这一问题的有效方法之一。目前研究超级电容器的电极材料主要分为三类:碳基材料、导电聚合物及其衍生物材料、过渡金属氧化物及其氢氧化物。其中锰氧化合物是最重要的超级电容器材料之一,具有理论容量高、环境友好、成本低廉等优点。然而锰氧化合物与其他金属氧化物一样,都有导电性差、循环稳定性差的缺点,制约着它的储能能力、快速充放电能力及使用寿命等。因而如何提升锰氧化合物的导电性和稳定性,是研究锰氧化合物材料的关键。为了改善MnO2材料的导电性和稳定性,本论文通过以下三种方案来实现:(1)与导电材料的复合;(2)对电极结构的设计;(3)化学修饰。主要工作及结论如下:(一)与导电材料的复合:为了提高MnO2材料的电荷转移速率,考虑到PANI具有良好的导电性和机械性能,本文采用三种方法,将导电PANI材料与MnO2材料进行复合,制备出了三种形貌新颖的MnO2-PANI复合材料。(1)采用模板法,合成了以MnO2纳米棒为核心,导电PANI为壳层的核壳结构。在合成过程中,MnO2既充当了氧化剂,又作为模板而引导导电PANI在其表面生长,因而复合材料形貌可控。(2)采用水浴法,合成了新颖的MnO2纳米棒扦插于PANI球体的海胆结构。(3)将水热法创新性地引入到苯胺的聚合当中,合成了以MnO2纳米棒为主体,导电PANI为粘结剂的纳米束结构。分别测试了三种不同形貌的复合材料的电化学性能,发现其电化学性能均得到提高,主要归因于(1)PANI良好的导电性,(2)PANI良好的柔韧性,(3)复合材料组分间强的化学键。(二)电极结构的设计:为了改善MnO2块体材料利用率低,载流子在材料体相内传播困难的缺点,我们设计并成功制备了 MnO2-PANI-MnO2三明治纳米结构电极。首先在镍网基底上采用电化学沉积法,生长了一薄层MnO2纳米薄膜,随后采用原位氧化聚合法,在薄层表面生长一层导电PANI层,最后再次通过电化学沉积法,在导电PANI表面生长一层MnO2纳米薄膜,最终得到MnO2-PANI-MnO2三明治结构电极。探讨了电化学沉积法在制备MnO2纳米薄膜过程中的机理及重要性,研究了原位氧化聚合时间对导电PANI层的影响,以及导电PANI层在三明治结构电极里的关键作用。通过对电极材料的电化学性能测试,发现三明治电极具有比纯MnO2电极更优秀的电化学性能。在电流密度为1A/g的情况下,比电容可以达到203 F/g,在3000次循环测试后,比容量可以保持初始值的85%。SEM、TEM、Raman、XPS、EIS等分析结果表明:三明治电极优异的电化学性能,主要来源于导电PANI层对活性材料结构上的影响,及对材料整体导电性的提高。疏松多孔的导电PANI层既有利于电解液的渗透,增加活性材料的利用率,其自身良好的机械性能,也增强了三明治电极的循环稳定性。(三)化学修饰:MnO2与CuO复合作为电极材料的报道很少,我们将MnO2与过渡金属CuO复合,制备出了形貌新颖的CuO-MnO2复合材料。采用蚀刻液氧化法,在极短的时间内,即在Cu网表面制备出了纳米结构的CuO材料。研究了配位络合物的扩散再生长机理,并通过控制配位络合物的浓度,进而控制沉积速率,在Cu网表面制备出了纳米墙、纳米片、纳米线三种不同形貌的CuO纳米材料。电化学测试发现,纳米线结构CuO具有最佳的电化学性能。通过水热法,在纳米CuO表面包覆一层活性MnO2纳米片材料。MnO2在复合电极材料中贡献了主要的电容量。由于二者的协同效用,CuO-MnO2复合电极展现了较宽的电压窗口(～1.3V)并改善了循环稳定性差的缺点,在2000次循环测试后,比容量不衰减。