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随着时代的发展,能源燃料紧缺、环境污染问题日趋严重,开发高效、可持续的能源转换与存储的相关技术刻不容缓。超级电容器又称电化学电容器,与传统电容器相比具有比功率大、能量高的优点,受到人们广泛的关注与期待。超级电容器的电极材料主要包括碳材料和导电聚合物。对于电容器电极材料来说,电荷一般储存在电极和电解液的双电层中,材料的比表面积是决定超级电容器电容大小的重要因素,材料若具有合适的孔隙率和结构,增加电解质与电极材料的接触机会,会大大提高其电活性。由于碳材料本身容易团聚和表面静电充电机理,使得碳材料比电容很小,不能提供足够的能量密度,因此设计合适的纳米复合材料结构来解决这些难题具有重要的意义。为了达到更好的电化学性能,我们将碳基材料如石墨烯和多孔碳与聚苯胺有效组合成纳米复合材料构筑了四种新型、高效的超级电容器。石墨烯具有比表面积大、导电性好、良好的生物兼容性以及不具备可变价态难以发生氧化还原反应等优点。多孔碳具有来源广、比表面积大、价格低廉等优点。本论文主要在碳基材料基底上通过原位生长、电化学还原等方法负载聚苯胺,构建纳米复合材料一体电极,从而改善单独使用纳米材料分散性差的特点,而且构建一体电极无需粘合剂,有效地避免了粘合剂的干扰。具体内容包括如下四个方面:1.多孔碳/还原氧化石墨烯/聚苯胺作为电极材料用于超级电容器:首先构建多孔碳/还原氧化石墨烯（3D-KSC/rGO）一体电极作为导电支撑基底,然后在其上电沉积聚苯胺（PANI）,得到3D-KSC/rGO/PANI纳米复合材料。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱等技术和电化学方法来表征该纳米复合材料。3D-KSC不仅具有较多的孔洞结构和较大的比表面积,并且其三维结构可以有效避免rGO的堆积,从而提高3D-KSC/rGO的比表面积以及电化学性能。结果表明,所获得的3D-KSC/rGO/PANI超级电容器电极在0.3 A g-1的电流密度下,质量比电容为1224 F g-1,远高于目前大多数由导电聚合物电极材料构筑的超级电容器,一方面得益于该电极结合了3D-KSC比表面积大、导电性好和rGO比表面积大、导电性优异以及PANI电活性好、赝电容大等优点,另一方面是由于该复合结构不仅可以弥补rGO电容小、易于团聚和PANI稳定性差的不足,而且可以提高活性材料的有效利用率、导电性和机械强度。该3D-KSC/rGO/PANI电极可望用于储能研究。2.基于金属有机框架衍生的多孔碳/聚苯胺复合材料在超级电容器中的应用:提出由没有任何碳源的金属有机骨架材料（MOF-5）炭化得到具有多孔结构的三维多孔碳（PC）,然后通过化学氧化原位聚合PANI以得到PC/PANI纳米复合材料。采用扫描电镜、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、N2吸附-脱附等温线、X射线粉末衍射等电化学技术对所制备的PC/PANI纳米复合材料进行了表征。发现PC表面覆盖了大量PANI,部分PANI穿过PC,PC独特的孔结构不仅增加了PANI负载的活性位点,而且还防止了电极材料的崩塌。该结构得益于PANI优异的电活性、良好的赝电容、良好的化学掺杂/去掺杂和PC大的比表面积、分层的多孔结构、良好的导电性之间的协同效应,大大提高了纳米复合材料的电导率,可望为电容器提供高比电容的可能。由该PC/PANI纳米复合材料构筑的超级电容器电极在0.5 A g-1的电流密度下,比电容为1319.5 F g-1,在2000次充电/放电循环后比电容保持81%,可望用于构建电容器。3.基于三维多孔碳/共价有机框架材料/聚苯胺阵列的超级电容器:首先制备结构新颖的三维多孔碳/共价有机框架材料（3D-KSC/COF-LZU1）,并在其表面通过化学原位聚合PANI得到3D-KSC/COF-LZU1/PANI纳米复合材料用于构建高性能的超级电容器。采用SEM和电化学等一系列技术对该纳米复合材料进行表征。结果表明所得复合材料与原COF-LZU1晶体结构基本一致,PANI成功地聚合在3D-KSC/COF-LZU1表面从而有利于增大材料的比电容及其循环性能。该3D-KSC/COF-LZU1/PANI复合材料一体电极在0.1 mA cm-2的电流密度下面积比电容高达583 mF cm-2,远远超过了大多数由导电聚合物电极材料构筑的超级电容器,且电阻较小。在0.1 mA cm-2的电流密度下循环2000圈后,比电容仍能保持在原来的81.5%,证明该材料具有良好的循环性能,可望用于超级电容器研究。4.基于三维泡沫碳/石墨烯/碳纳米复合材料/聚苯胺柔性一体电极的超级电容器:首先制备三聚氰胺泡沫（MF）高温碳化衍生的超轻弹性大孔碳（3D-FC）,然后将其浸泡在氧化石墨烯（GO）溶液中形成3D-FC/GO柔性一体电极,进一步负载席夫碱衍生的碳纳米复合材料（CNDS）和聚苯胺获得新型3D-FC/GO/CNDS/PANI应用于超级电容器研究。采用SEM、傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱对所获得的电极材料进行了表征。结果表明,均匀分布的GO能连结上高温炭化产生的3D-FC断裂纤维,提高了纳米复合材料的电导率,同时也增大了其比表面积,PANI成功聚合在3D-FC/GO/CNDS上。该3D-FC/GO/CNDS/PANI表现出快速的电子传输和较强的恒电流充放电能力,基于该材料制备的超级电容器在0.5 A g-1的电流密度下,比电容为2814.5 F g-1,可望用于超级电容器研究。