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近年来,柔性及可穿戴电子产品的兴起,激发了人们对灵活、可形变储能装置的迫切需求。柔性超级电容器(SC)是一种高效、实用、环保的“绿色”储能装置,具有污染小、环境适应力强、充放电效率高、柔性好、寿命长等显著特点。符合柔性电子产品对储能装置的要求。电极材料作为柔性超级电容器最核心的部分。不仅需要高的比电容且还应具有一定的力学性能。独立的柔性导电膜被认为是柔性超级电容器最好的电极材料。细菌纤维素(BC)作为一种可降解的可再生材料,具有独特的超细三维网状结构和优异的力学性能,展现出作为柔性电极基材的巨大潜力。其表面丰富的羟基有益于复合更多的具有电化学性能的材料。因此本研究主要以BC展开,复合导电聚合物聚吡咯(PPy)使其形成BC/PPy导电纤维,并进一步复合氮掺杂改性过后的石墨烯来提高电极材料的比电容,最终形成一种高比电容的柔性导电薄膜应用于柔性超级电容器。具体内容如下:(1)为了使得BC发挥其自支撑性能。通过原位聚合的方法,以BC为基底材料,原位聚合Py单体并且均匀的包覆在BC表面形成BC/PPy导电纤维,制备成BC/PPy复合膜。实验结果表明:细菌纤维素可以起到模板作用,使得Py单体可以沿着BC纤维通路生长,有效控制吡咯单体的原位聚合,防止团聚,可以连续的包覆在细菌纤维素表面,形成了具有核壳结构的BC/PPy网络状导电纤维。超细的细菌纤维素网络结构可以为复合材料提供较大的比表面积。在1 A/g的电流密度下展现出225 F/g的比电容,并且四探针测试其的电导率达到36 S/cm,具有优异的导电率,为接下来的工作奠定了基础。(2)为了提高电极材料的电化学性能。本实验采用负载电化学活性物质石墨烯来实现。首先通过简单的Hummers方法制备出多孔还原氧化石墨烯(rGO)。通过形貌及结构分析表明,所制备出的rGO是尺寸较小且表面均匀无杂质的少层石墨烯片层结构。通过简单的原位聚合以及机械共混的方式真空辅助抽滤成膜,尽可能的发挥三种物质各自的优异性能。通过对BC/PPy/rGO复合膜微观结构的观察,可以看出rGO片层均匀的编织在BC/PPy导电纤维内部,以镶嵌、包裹、穿插等形式分散在核壳结构的导电纤维网络之中,很好地发挥了石墨烯作为电化学活性物质的电化学性能。在1 A/g的电流密度下表现出470F/g的质量比电容,电容量是BC/PPy复合膜几乎一倍。复合膜中,BC作为柔性基材,PPy作为赝电容材料以及为体系提供导电通路,rGO作为导电媒介和电化学活性物质,三者各自发挥各自的优异性能,保证了电极的高导电率、高孔隙率、高比电容和一定的机械强度,提供了一种有效的电极材料制备思路。(3)为了进一步提高电极材料的电化学性能。本实验采用了简单的水热法制备出氮掺杂石墨烯(N-rGO)。为了探究氮掺杂改性对电极体系电化学影响程度,制备了 BC/N-rGO膜和BC/rGO膜进行电化学对比;采用尿素和氨基胍作为不同的氮源,分别制备出氮掺杂石墨烯复合膜并进行电化学对比。通过对N-rGO片层结构微观结构的观察发现,N-rGO片层呈现半透明状态,尺寸较小,为几到几十微米范围,其表面平整却基本无杂质,厚度约为3～5层。通过XPS对N-rGO进行元素分析得知,氮原子的成功掺杂改性,并且N元素含量为5.78%,其中,吡咯型N掺杂比例最高,可使得体系容纳更多的额外电子,进一步增强了 N-rGO的赝电容特性。综上所述,本文采用了简单的水热法制备出氮掺杂石墨烯并通过简单的真空辅助自组装的方法制备出以BC为柔性自支撑材料,PPy作为赝电容材料,N-rGO作为电化学活性物质的复合电极膜。N-rGO片层以镶嵌,包裹,穿插等形式分散在BC/PPy导电纤维网络之中,形成一个具有协同作用的三维网络结构。电化学测试中,BC/rGO膜的质量比电容为148F/g,而复合了N-rGO的BC/N-rGO膜展现出256 F/g的质量比电容,比BC/rGO膜比电容值高出了近一倍,说明氮掺杂改性的石墨烯具有更加优异的电化学性能。对比两种N-rGO与未氮掺杂改性的rGO所制备的复合膜GCD曲线,尿素N-rGO所制备的复合膜质量比电容为605 F/g,电化学性优异。BC/PPy/氨基胍N-rGO复合膜的质量比电容为517 F/g,BC/PPy/rGO复合膜则展示出470 F/g的比电容。说明氮掺杂改性的石墨烯比未氮掺杂改性的rGO所制备的复合膜比电容高,再次证明氮掺杂石墨烯是一种有效的增加石墨烯电容性能的手段。此外,尿素N-rGO所制备出的复合膜比氨基胍N-rGO所制备出的复合膜具有更好的电化学性能。