目前,基于太阳能、风能、热能等对环境友好的可再生清洁能源得到了快速发展,同时,研究和开发具有绿色环保、高能量密度和高功率密度的新型能量存储装置成为新能源产业发展的关键环节。侧重于通过物理机理来存储能量的超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件,具有超大容量、高功率密度、充放电速度快、循环稳定好、免维护、对环境无污染等忧点,但其突出的问题是能量密度过低。研究和开发兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器的核心问题在于合成性能优异的电极材料。石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的一种具有蜂窝状结构的二维纳米材料,由于具有超高的比表面积高、高导电率和化学稳定性,有利于稳定的双电层电容的形成,被视为理想的超级电容器电极材料。本文基于硬模板法制备三维多孔石墨烯和掺氮石墨烯作为超级电容器电极材料进行研究,主要研究内容和结果如下：1.应用溶液涂敷和对环境友好的抗坏血酸还原的方法制备三维多孔石墨烯／泡沫镍复合电极。依托多孔泡沫镍,在还原过程中氧化石墨烯(GO)形成了高导电性的石墨烯网络以及三维互通的微孔结构,这种微孔结构缩短了离子扩散的路径,有利于电解质离子通过扩散进入到石墨烯的表面,结果有效的促进电荷传输效率,提高活性材料的利用率。结果表明,比电容高达152 F/g；展示良好的倍率性能,在90.9A/g的测试电流下,比电容仍然达到107 F/g；循环稳定性好,经过2000次循环测试,比电容量衰减率为11%。该方法思路简单,对设备要求低,而且制备获得的石墨烯由于GO直接沉积在多孔镍泡沫骨架表面形成良好的接触,有效地降低接触电阻,为高倍率性能提供了基础；此实验技术容易掌握,并有可能在工业上实现规模化生产。在此基础上,我们使用盐酸对石墨烯／泡沫镍复合电极进行刻蚀,巧妙地实现轻质镍导电网络的制备并镶嵌于三维多孔石墨烯中形成一个有机整体。该策略制备的复合电极具有轻质柔性特征,并保持良好的比容量和倍率性能。此外,我们采用一种简单易行的组装方法组装了轻质超薄的柔性电容器器件,为实现其实际应用提供了可能。2.在第一部分工作的基础上,我们利用氢碘酸还原的石墨烯具有收缩的特性和对金属的防腐蚀效应,采用商用的三维多孔泡沫镍为模板设计和制备了轻质镍网络支撑的三维柔性石墨烯复合电极。在轻质镍导电网络支撑下,三维结构的石墨烯泡沫复合电极的导电性、力学强度和柔韧性方面都有显著提高。三维轻质石墨烯/镍网络复合泡沫完全“复制”泡沫镍的三维网络结构,而其镍导电网络的质量可以小至1.1 mg/cm2。电化学研究结果表明,石墨烯活性物质的比电容约为100F/g,但是基于电极总质量计算,其比电容可以达到40.9 F/g。基于三维轻质石墨烯/镍网络复合泡沫做成的超级电容器简易器件具有优异的倍率性能、循环稳定性和机械柔韧性。此工作为如何合理设计和制备具有三维轻质柔性特性的高倍率性能的石墨烯电极提供一种思路。3.为了进一步提高比电容,我们采取光化学还原与氨气还原相结合的方法,实现对沉积在三维多孔泡沫里的氧化石墨烯的快速还原和氮掺杂。相比于石墨烯的化学还原和热还原,光还原方法被视为更加低廉而高效、绿色环保、干净和还原度可调的的方法。经高压汞灯辐射15分钟,氮含量可达到5.99 at%,而辐射30分钟,就能获得性能优异的掺氮石墨烯复合电极。在范德瓦尔斯力和泡沫镍的支撑作用下,氮掺杂石墨烯紧密地依附在镍骨架表面,有利于克服石墨烯薄膜在光还原过程的破裂问题,明显减少活性材料和集流器之间的接触电阻。镍基的连续贯通的多孔结构和氮掺杂有机结合极大地改善石墨烯的电化学性能。以KOH溶液为电解液,在0.29 A/g的测试电流下,比电容高达253.3 F/g,即使在92.3 A/g的测试电流下,比电容仍然达到190 F/g,预示着其优异的倍率性能。使用Li2SO4电解液和Li2SO4/KOH混合电解液,超级电容器的工作电压可分别提高至2 V和1.5V,比电容分别为235 F/g和272.7F/g;其能量密度分别可达32.6 Wh/kg和21.2Wh/kg。相比于纯的Li2SO4或KOH电解液,Li2SO4混合电解液能很好地兼顾了功率密度和能量密度。