清洁能源化学与材料实验室知识库

超级电容器是一类介于传统电容器和锂离子电池之间的新型环境友好型能量转化与存储体系，具有高功率密度，快速充/放电特性(几秒以内)，循环寿命长(>100000圈)等优点，但是受限于电极材料的比容量和工作电压窗口，能量密度较低。

因此，通过电极材料纳米结构化的设计、炭材料与过渡金属氧化物或导电聚合物相结合等手段优化电极材料的性能，是实现高能量密度超级电容器的有效方式。石墨烯具有高的比表面积，其作为导电基底可以实现金属氧化物的有效负载，防止金属氧化物的团聚。量子尺寸的金属氧化物作为典型的赝电容材料，具有丰富的氧化还原活性位点，能够提高反应速率和电子转移动力学。

本论文主要集中在石墨烯负载量子尺寸金属氧化物复合电极材料的制备及其电容性能的研究。全文所得出的结论如下：

1）通过简单的溶剂热法制备了氮掺杂石墨烯负载Fe₂O₃纳米点复合材料(记作Fe₂O₃ NDs@NG)，Fe₂O₃NDs@NG复合材料在KOH水系电解液中具有优异的电化学性能。最佳Fe₂O₃NDs 负载量的复合材料，在1 A g^-1的电流密度下具有高达 274 F g^-1的比容量，即使电流密度增加至50A g^-1，比容量仍有140 F g^-1，展现了优异的倍率性能。更引人注目的是，在 5A g^-1电流密度下，循环100000圈后，具有优异的容量保持率(约75.3%)，这是迄今为止所报道中氧化铁在碱性电解液中长期循环稳定性最好的结果。如此优异的电化学性能源自于高度分散的Fe₂O₃NDs 和氮掺杂石墨烯的复合，使得Fe₂O₃NDs@NG-0.75可以有效缓解在充放电过程中Fe₂O₃NDs体积的变化，并提供丰富的可利用的氧化还原活性位点，以及快速的电子转移和电解质扩散。

2）氮掺杂石墨烯负载Mn₃O₄纳米点的复合材料(记作Mn₃O₄NDs@NG)通过简单溶剂热法，在表面活性剂辛胺存在条件下制备得到。复合材料中M_n3O₄NDs粒径约5 nm，且均匀分散在NG片层表面。Mn₃O₄NDs@NG复合材料在EMIMBF₄离子液体电解液中具有优异的电化学性能。最佳Mn₃O₄NDs负载量的复合材料，在0.5A g^-1的电流密度下，比容量高达158.9 F g^-1，即使电流密度增加到20 A g^-1，比容量仍然高达76 F g^-1，展现了高的比容量以及良好的倍率性能；

此外，Mn₃O₄NDs@NG对称超级电容器在EMIMBF₄电解液中，展现出优异的电化学性能，如0.5A g^-1电流密度下，高的比容量(40.8 F g^-1)以及高的能量密度(90.7 Whkg^-1)。最佳的Mn₃O₄NDs@NG//APDC不对称超级电容器可以在0-4 V的电压窗口范围内可逆的循环，能量密度最大可以达到124.4Wh kg^-1。这些结果表明，Mn₃O₄NDs@NG复合材料在发展高能量和功率密度的储能器件中，有很大的实际应用前景。