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电化学电容器,又称超级电容器,是一种新型的电化学能源存储器件,具有充放电时间短(1-30s)、功率密度高(1-10kW/kg)、循环性能好(10-50万次)、库伦效率高(99%)等优点,然而,其能量密度较低(1-10Wh/kg)。提高电极材料的比电容,以及选择合适的电解液以扩大电位窗口,均是提高电容器能量密度的有效方法。由于过渡金属氧化物中的金属原子具有多种价态,从而具有很高的理论比容量,而多孔炭材料则具有良好的电导率和发达的孔道结构。因此,本论文的思路是将过渡金属氧化物和多孔炭材料相结合,在提高材料整体比电容的同时,利用炭材料多孔的空间网络结构,促进电子在材料骨架网络上的快速传递,最终实现材料能量密度和功率密度的同时提升。以此为基础,本论文考察了三种过渡金属氧化物(RuO2、Nb2O5、TiO2)与多孔炭材料形成复合材料的制备工艺,系统分析了所制材料的形貌结构,并深入研究了所制材料的电化学行为,得到的主要结论如下：(1)氮掺杂和RuO2负载对中孔炭复合电极材料电化学性能的影响研究。结果表明,氮掺杂和RuO2负载量对中孔炭骨架网络上Ru02的分散状态、晶型和中孔炭孔隙率有重要影响。当选用不含氮、氮过量的中孔炭作为载体,或负载过量的RuO2时,RuO2都会聚集形成纳米团簇,从而降低了其本征赝电容。掺杂适量的氮以及负载适量的RuO2时,RuO2方能够贡献较高的比电容,并展现高度可逆的电容行为和良好的倍率性能。当电流密度为0.2A/g时,其容量可达到772F/g。RuO2负载量过低时,虽然RuO2本征赝电容可达到1733F/g,但复合材料的整体比电容较低。氮掺杂和RuO2负载之间存在独特的二元交互作用：含氮官能团可以改善炭的表面疏水特性、促进RuO2的分散、减小其颗粒尺寸、暴露出更多的赝电容活性位,从而缩短了H+的扩散路径,大大提高了赝电容,并改善了电极材料的倍率性能。(2)水热反应温度、载体炭化温度和材料后处理温度对复合材料电化学性能的影响研究。结果表明,低温下进行水热反应得到的RuO2具有更多的结合水,从而促进质子传送速率,提高材料整体的比电容；高温水热反应更容易导致RuO2的团聚,降低活性位利用率,进而影响其倍率性能。炭化温度主要影响中孔炭材料的表面官能团含量,从而影响复合材料的电导率和电化学性能。后处理温度对复合材料中RuO2的晶型有重要影响,在100℃下热处理后,部分无定型的RuO2转变为纳米微晶,提升了电子传送速率,使得复合电极材料的容量在0.2A/g下增加到463F/g；而在300℃处理后,大部分无定型的RuO2团聚为具有晶型结构的RuO2,导致复合材料的比电容下降,容量仅为278F/g(0.2A/g)。(3)碳化物衍生炭(CDC)/Nb2O5复合材料的电化学行为研究。制备了碳化物衍生炭/Nb205复合材料,考察其作为赝电容电极材料的电化学行为及其性能影响因素。结果表明,通过采用苯基膦酸(PPA)可以改善层状CDC的亲水性能,降低随之负载上的Nb205纳米颗粒尺寸,缓解Nb205的严重团聚现象,并最终大幅提升复合材料的比电容。在优化的电解液体系(1MLiClO4/EC/DMC)中,材料的电容行为响应更加快速。复合材料在C02气氛中经高温热处理后,在CDC结构形貌保持基本不变的同时,无定型的Nb205转变为正交晶系T-Nb2O5,形成T-Nb2O5/CDC层状复合材料(含有少量单斜晶系M-Nb2O5),其最高容量可达220C/g (1mV/s),即使在10mV/s下,容量仍可达到157C/g。(4)CO2氧化法制备Nb2O5/C复合材料及其电化学行为研究。采用氧化MXene的思路,一步法合成无定型炭和高结晶度的T-Nb2O5纳米颗粒(混有少量M-Nb2O5)。结果表明,当扫描速率低于20mV/s时,Li+插层/脱嵌过程以非扩散控制为主。通过热力学模拟计算发现,温度和C02流率对氧化后的平衡物相组成有很大影响。实验证明,在低温(600℃)下氧化将得到假六方晶系TT-Nb2O5,在中温(750℃)下将得到T-Nb2O5,而在高温(850℃)下将得到T-Nb2O5与M-Nb2O5的混合晶系。作为赝电容电极材料时,混合晶系产生的容量最高达366F/g (0.5mV/s),在2000次循环之后容量保留初始容量的96%；作为锂电池负极材料时,氧化后所得样品的最高容量为180mAh/g(50mA/g)。将C02氧化的思路推广到Nb4C3Tx,也可得到高结晶度的T-Nb2O5/C复合材料。(5)CO2氧化法制备A-TiO2/C复合材料及其电化学行为研究。将CO2氧化的思路推广到Ti3C2Tx,亦可得到具有高结晶度的锐钛矿型A-TiO2/C层状复合材料,将A-TiO2/C作为赝电容电极材料时,容量最高为368C/g(0.5mV/s),在2000次循环之后容量保留初始容量的85.4%；作为锂离子电池负极材料时,其库伦效率为100%,400次循环后容量保留率为99%。进一步将氧化的方法推广,采用水热氧化Ti3C2Tx的方法制备了高结晶度的A-TiO2/C复合材料。结果表明,复合材料的最高容量可达426C/g (0.5mV/s)。因此本文中开发的氧化方法将可应用到其它MXene如Ti3CNTx、V2CTx和Mo2CTx,分别制备TiO2/C、V2O5/C和MoO3/C复合材料。