随着全世界化石资源日渐减少,环境污染问题日益加重,如今,开发可持续清洁能源以及先进的能量储存技术是人类面临的巨大挑战。目前,锂硫电池成为高能量密度电化学储能体系的研究热点,而超级电容器成为高功率密度电化学储能体系的研究热点。锂硫电池和超级电容器中都用到碳材料,碳材料作为锂硫电池单质硫的导电基底材料和超级电容器电极材料,由于其具有导电性高、机械性能优良、可调孔结构、较大比表面积、价格低廉等优点,是迄今为止最理想和应用最广泛的储能材料之一。在超级电容器和锂硫电池中使用的碳材料包括介孔碳、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等。本文从实用角度出发,利用简单易于重复的制备方法,合成了一种无序介孔碳,一种掺硼无序介孔碳和一种具有微孔和介孔的无序碳材料,将其作为锂硫电池正极活性硫的负载基底材料,制备碳/硫复合正极材料,进行了电化学性能测试和表征。另外,以商品掺氮石墨烯为原料,通过进一步高温还原处理得到热稳定的掺氮石墨烯材料,将其作为超级电容器电极材料,进行了电化学性能测试。在两方面工作中探讨了碳材料的官能团对材料电化学性能的影响。主要研究内容如下:1、以酚醛树脂预聚体为碳源,以正硅酸乙酯为扩孔剂,制备了具有双孔径、结构稳定、易于重复的无序介孔碳DMC,并将此无序介孔碳用于锂硫电池正极材料中,利用熔融法,制备了不同含硫量的碳/硫复合材料,考察了碳/硫复合材料的结构和电化学性能,探讨了无序介孔中载硫量的大小对其电化学性能的影响。实验结果表明:以无序介孔碳DMC为载硫基底材料,通过简单的热熔法,当单质硫负载量少(<66.7wt%)时,硫能以较小的纳米尺寸进入到介孔碳的孔道内高度分散,当单质硫负载量大(75wt%)时,有少量硫附着在碳材料表面;碳/硫复合材料中介孔碳内部存在的微量O原子对单质硫具有一定的化学吸附作用;在碳/硫复合材料中随着硫含量的增加,硫电极的放电比容量与活性物质利用率下降;对于含硫量为66.7 wt%的复合材料,在1C倍率下容量保持率较高,库仑效率接近100%,表明该复合材料中碳负载基底结构稳定,机械强度大,对电流密度的变化具有良好的应变能力,该材料用于实际锂硫电池将具有非常重要的意义。2、以硼酸为硼源,以正硅酸乙酯为扩孔剂,制备了掺硼无序介孔碳BDMC,并将此介孔碳与单质硫按一定质量比经热融法制备掺硼介孔碳/硫复合材料。考察了掺硼介孔碳/硫复合材料的结构和电化学性能,比较了掺硼介孔碳/硫复合材料与没掺硼介孔碳/硫复合材料的电化学性能的优劣。实验通过XPS,RS测试手段确定了BDMC材料中存在少量的B原子;掺硼BDMC材料与未掺硼DMC材料相比,孔结构、比表面积、孔容没有太大差别;XPS测试表明,掺硼复合材料中的B原子产生了轻微的正极化现象,从而使掺硼复合材料在碳硫界面上对硫具有更大的吸附作用力,在充放电过程中能够对多硫化物阴离子产生化学吸附作用,抑制其溶解于电解液,因此掺硼碳/硫复合材料在不同放电倍率下的电化学性能优于未掺硼碳/硫复合材料。3、以酚醛树脂预聚体为碳源,以KOH和Zn Cl2为联合扩孔剂,制备了具有更大比表面积和孔容,且具有微孔/介孔的无序碳MC,将此无序微孔/介孔碳材料用于锂硫电池正极材料中,利用熔融法制备碳/硫(MC:S=1:2)复合材料,电化学测试表明:MC:S=1:2复合材料的比容量和循环性能明显高与DMC:S=1:2复合材料,分析其中的原因是由于MC碳材料具有微孔/介孔结构和更大的比表面积和孔容,其中的微孔能有效抑制多硫化物的溶解,较大的孔容与比表面积能对活性物质硫和充放电过程中产生的多硫化物产生更强的吸附作用,同时能缓解硫正极在充放电过程中体积膨胀的问题。另外,在此MC:S=1:2复合材料表面包覆一层导电PANI后,能进一步提高电池的比容量和活性物质硫的利用率。4、以购买的商品还原石墨烯C-r GO为原料,使用氮氢混合气为还原剂,在不同温度下进一步还原处理C-r GO,得到了不同温度热处理后的热稳定还原石墨烯TS-r GO,并将此类热稳定石墨烯材料作为超级电容器电极材料,通过电化学测试对比了原料石墨烯和不同温度制备的热稳定石墨烯材料的电化学性能的优劣,分析并探讨了其中存在的原因。实验结果表明:不同热处理温度对氮掺杂的商品石墨烯C-r GO材料的微观形貌,晶格结构影响不大,TS-r GO材料仍然是含氮的石墨烯材料;随热处理温度的升高,石墨烯材料中的N,O官能团分解,造成石墨层间距的减小,温度超过800℃,部分石墨烯片的尺寸有所增大;尽管随热处理温度的升高,得到的TS-r GO材料的比电容,比能量和比功率随着温度的升高而下降,但其在高倍率下循环性能表现良好;商品C-r GO作为超极电容器电极材料循环性能较差,在前1000次循环过程中容量保持率下降严重(下降了10.1%),而不同温度热处理得到的TS-r GO材料表现出较好的高倍率循环稳定性,尤其是TS-r GO(700)材料的容量保持率,在前1000次循环中只下降了0.3%,在10000次循环后容量保持率仍有97.2%。实验发现TS-r GO材料中被优化的氮原子的官能团,有助于改善其循环寿命,降低泄漏电流密度,材料高倍率电容性能的增加可以归因于其电导率的增加。