层状纳米复合电极材料的设计与开发是当前超级电容器领域的前沿课题。层状纳米材料具有平面内电子传递速率快、电解质离子从主体溶液到电极表面传输距离短、离子扩散阻力小和反应活性高等优点,作为超级电容器的电极材料被广泛应用。本论文围绕层状纳米复合材料的设计、制备、超级电容器性能及机理开展研究工作。结合课题组多年来在层状材料方面的研究积累,通过剥离和插层获得层状二维纳米片,更多地暴露了层状材料的表面活性位,进一步与高度导电的或电化学活性的材料进行杂化,获得了四种新型层状纳米复合材料,并研究了所得复合材料的形貌与结构、超级电容器性能以及构效关系。主要研究工作如下:1.通过先将层状磷酸氧钒（VOPO₄·2H₂O）剥离成纳米片,然后与氧化石墨烯（GO）复合进行水热反应,获得了无定形磷酸氧钒/石墨烯（VOPO₄/graphene）纳米杂化复合材料,系统地研究了所得材料的电化学性能。作为超级电容器电极材料,无定形VOPO₄/graphene复合材料表现出较高的比电容(508 F·g^-1@0.5 A·g^-1)、优异的倍率性能(电流密度从0.5 A·g^-1增加至10 A·g^-1,比电容仍能保持359 F·g^-1)和良好的循环稳定性(在2 A·g^-1下循环5000次后保留80%)。同时具有70.6 Wh·kg^-1的能量密度和250 W·kg^-1的功率密度。突出的储能性能主要来源于无定形VOPO₄片层结构的产生,缩短了离子扩散路径,促进离子传输,并提供更多可逆和快速的法拉第反应位点,与石墨烯的杂化极大地提高了结构稳定性。VOPO₄层与graphene纳米片形成2D/2D杂化结构,有效地增强了结构完整性。2.通过简单的两步法合成了磷酸氧钒/碳（VOPO₄/C）纳米复合物,即首先用十二胺（DDA）插层层状VOPO₄·2H₂O,然后在高温下原位碳化DDA插层的VOPO₄。研究发现,石墨化程度高的VOPO₄/C纳米复合物在1 A·-1的电流密度下表现出高达469 F·g^-1的比电容,并且具有优异的倍率性能(在10 A·g^-1的电流密度下比电容保留率为77%)。通过直接碳化纳米线形聚吡咯合成了聚吡咯衍生的碳纳米线。利用正负极材料的性能匹配,以VOPO₄/C纳米复合物为正极材料,聚吡咯衍生碳纳米线为负极材料,组装了不对称超级电容器,电压范围可扩大到1.6 V。在813 W·kg^-1的高功率密度下表现出高达30.6 Wh·kg^-1的能量密度以及良好的电化学稳定性（5000次循环后的比电容保持率为84.3%）。3.采用丙胺、癸胺和十六胺作为插层剂制备了具有不同层间距的MoO₃/烷基胺插层复合物,然后再进行原位碳化,实现了 MoO₃与碳层的层层堆垛,从而获得了三明治型MoO₃/C杂化纳米结构。探讨了 MoO₃层间烷基胺客体的可能排列方式以及无机主体和有机客体之间的相互作用。作为超级电容器的电极材料,所得三明治型MoO₃/C杂化纳米结构具有更多可供离子到达的反应位点、快速的离子/电子传输能力和良好的结构稳定性,表现出良好的倍率性能(在10 A·g^-1的电流密度下,其比电容保持率为1 A·g^-1时的70%)和循环稳定性(在2 A·g^-1的电流密度下,循环5000次,其比电容保持率为初始值的85%)。将膨胀石墨作为负极材料,MoO₃/C杂化纳米结构作为正极材料进行性能匹配,组装了不对称超级电容器,电压范围可扩大到1.6 V。在838.4 W·kg^-1的高功率密度下表现出高达31.3 Wh·kg^-1的能量密度以及良好的电化学稳定性（5000次循环后的比电容保持率为86.5%）。4.通过简单的两步法合成了多孔石墨烯/聚苯胺/石墨烯纳米复合材料。首先,利用水热法制备了聚苯胺/石墨烯复合材料,然后用多孔石墨烯层进行叠加,得到了三明治型多孔石墨烯/聚苯胺/石墨烯纳米杂化结构。该结构不仅可以促进电化学过程中电子传输和离子扩散,而且有助于获得优异的倍率性能。基于该材料组装得到的对称超级电容器,在1A·g^-1的电流密度下,最大比电容为437 F·g^-1,同时具有高的能量密度(55Wh·kg^-1)和功率密度(0.9kW·kg^-1),超高的倍率性能(在100A·g^-1的电流密度下保持为1A·g^-1的43%),并且表现出良好的电化学稳定性(在10 A·g^-1的高电流密度下循环5000次后的电容保持率为84%)。