石墨烯因具有大理论比表面积和高电导率等优点在超级电容器、锂离子电池(LIB)等领域都具有很大的应用潜力。然而,结构热力学不稳定性导致的褶皱和堆叠的形成使石墨烯在实际应用中表现出的的电化学性能远远低于预期。于是,我们需要对石墨烯材料进行有效的功能化设计。在众多方法中,三维石墨烯材料的构建能够增加孔结构和比表面积,有利于离子和电子的运输。此外,对石墨烯材料进行掺杂处理,如N原子掺杂,能够改善材料表面的润湿性和导电性,进而提高它的电化学性能。本论文以氧化镁(MgO)催化剂和模板、聚乙二醇200(PEG200)为碳源合成了一系列三维石墨烯材料并对其电化学应用进行了研究。本论文的主要工作如下:本论文首先以MgO为催化剂、PEG200为碳源,通过一步碳化法合成三维石墨烯材料。经扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、N2吸附/脱附测试、循环伏安(CV)和恒流充放电(GCD)等方法,我们对碳产品的表面形貌和微观结构进行表征,并对在不同碳化温度、不同PEG200与MgO质量比条件下制备的碳材料进行电化学性能对比。结果表明:所制备的碳产品具有较大的比表面积和丰富的孔结构。在碳化温度为1000℃、PEG200与MgO的质量比为4:1.5的条件下制备的碳材料FG-4:1.5具有最大比表面积和最佳电化学性能。在超级电容器应用中,FG-4:1.5在扫描速度为2 mV/s的CV测试中的比容量达222 F/g、在200 mV/s扫描速度下循环10000圈后比容量保持率达92%;在LIB应用中,FG-4:1.5在0.2C电流密度下的可逆比容量为734 mAh/g、循环稳定性高达98%。本论文然后利用MgO催化PEG200/三聚氰胺合成N掺杂三维石墨烯材料。经由SEM、TEM、XPS、N2吸附/脱附、CV和GCD等测试,我们分析了碳产品的表面形貌和微观结构,并对在不同三聚氰胺添加量、不同碳化温度条件下合成的碳材料的电化学性能进行了研究对比。结果表明:碳产品的比表面积大且孔结构丰富。当三聚氰胺的添加量为10%、碳化温度为900℃时,得到的碳材料NFG-900的比表面积最大、电化学性能最好。在0.5 A/g电流密度下比容量为324 F/g、循环稳定性可达90%。本论文最后利用MgO催化PEG/三嗪成碳剂(CFA)合成N掺杂三维石墨烯材料。在SEM、TEM、XPS、N2吸附/脱附、CV和GCD等测试的帮助下,我们对碳产品的表面形貌和微观结构进行了研究并对在不同CFA添加量、不同碳化温度条件下制备的碳材料的电化学性能进行了对比。结果表明:碳产品具有高比表面积和大量孔结构。在CFA的添加量为10%、碳化温度为900℃条件下合成的碳材料CNFG-900具有最大比表面积和最优异的电化学性能。在0.5 A/g电流密度下的比容量高达347 F/g;以200 mV/s的扫描速度进行连续的10000圈CV测试后,比容量仍能达到初始值的90%