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碳材料是研究和应用最为广泛的双电层电容器(EDLC)电极材料,具有来源广泛、价格低廉、形态结构丰富、导电性好、电化学性质稳定等优点。先进碳基纳米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。本论文围绕新型介观结构碳基纳米材料的设计、制备、超级电容器性能及调控机制开展研究工作。结合课题组前期发展的原位MgO模板法制备碳基纳米笼的思想,通过掺杂、扩孔、采用新型模板等方法,有效地调变了纳米碳材料的表面浸润性、孔结构、导电性等参量,获得了三种新型介观结构碳基纳米材料,研究了材料的结构形貌、理化性质、超级电容器性能及其构效关系,取得以下创新成果：1.分级结构氮掺杂碳纳米笼电极材料：我们课题组前期发展了原位MgO模板法制备介观结构碳纳米笼的方法和技术,所得碳纳米笼具有大比表面积、高导电性、多级孔结构等特点,在水系电解液中表现出优良的EDLC性能。由于纯碳材料的疏水性特征,其比表面积利用率还较低。本文采用原位MgO模板法,以吡啶为前驱物,可控制备了分级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNCs).在保持碳纳米笼比表面积大、导电性好、多级孔结构共存等特点的同时,C-N极性键的引入,大幅提升了碳纳米笼的浸润性,减小了相应超级电容器的电荷转移电阻及等效串联电阻。hNCNCs在6 mol L-1 KOH电解液、1A g-1电流密度测量条件下比表面积归一化比容量达17.4 μF cm-2,远高于未掺杂时的11.8 μF cm-2,其质量比电容高达313 F g-,电流密度增加至100 Ag-1,比电容依然高达234 F g-1,具有优异的倍率性能；相应EDLC在水系电解液中展现出超高的能量密度(10.90 Wh kg-1)及功率密度(22.22 kW kg-1)；1OA g-1高电流下20000个循环后,其电容保持率约为98%,展现出优异的循环稳定性。2.三维多孔寡层石墨烯电极材料：采用原位MgO模板法以吡啶为前驱物制备的氮掺杂碳纳米笼提升了浸润性,但导电性有所下降。在提升纳米碳材料浸润性的同时保持(乃至改进)其高导电性是更为理想的选择,有利于获得更高倍率性能和功率密度的EDLC。借鉴金属铜基片上生长的石墨烯具有优异导电性的事实,本论文发展了以原位多孔铜为模板、PMMA为固体碳源制备三维多孔寡层石墨烯(3DG)的方法,所得3DG新型碳材料具有很高的导电性,还具有大比表面积和相互连通的开放性微孔-介孔-大孔的结构特征。在去除铜模板过程中部分含氧官能团的引入使得3DG展现出良好的浸润性。作为EDLC电极材料,3DG在水系和离子液电解液体系下均展现出优异的性能。在6 mol L-1 KOH电解液中,3DG在1Ag-1电流密度下的比电容达231 F g-1,电流密度增加至2000 A g-,比电容依然保持129 Fg-1,展现出超高的倍率性能；相应EDLC展现出高能量密度(8.0Wh kg-1)、超高的倍率性能和功率密度(199.7 kW kg-1); 100 A g-1高电流下20000个循环后,其电容保持率约为99%,展现出优异的循环稳定性。在EMIMBF4离子液体中,3DG在1A g-1电流密度下的比电容达226 F g-,电流密度增加至200 Ag-1,比电容依然保持135Fg-1,展现出优异的倍率性能；相应EDLC展现出了接近锂离子电池水平的高能量密度(125.5 Wh kg-1)和超高功率密度(152.9 kW kg-1);100A g-1高电流下20000个循环后,其电容保持率约为91%,展现出优异的循环稳定性。3.CO2活化扩孔的碳纳米笼电极材料：离子液体工作电压窗口宽,有利于获得高能量密度,但一般离子尺寸较大,粘度较高。碳基纳米笼的笼壁充满微孔,尺寸为0.6 nm左右,不利于离子液体快速进出纳米笼(尤其在高倍率情况下)。本文通过Boudouard反应(C+CO2=2CO)活化分级结构碳纳米笼,制得了CO2活化扩孔的碳纳米笼(a-hCNCs)。活化后,碳纳米笼的笼壁微孔尺寸、比表面面积和孔体积增大,在800、900℃活化的样品导电性也增高。采用EMIMBF4离子液体作电解液,a-hCNCs在1 A g-1电流密度下的比电容高达278 Fg-1,电流密度增加至200 A g-1,比电容依然保持173 Fg-1,展现出优异的倍率性能；相应EDLC的功率密度和能量密度可分别高达480.1 kW kg-1和153.8 Wh kg-1;在J00Ag-1的高电流下,20000个循环后,其电容保持率约为93.8%,展现出优异的循环稳定性。在保持高的倍率性能、功率密度和循环稳定性的前提下,153.8 Wh kg-1的能量密度达到了当前锂离子电池的水平。与未活化碳纳米笼的EDLC性能相比,a-hCNCs大幅提升的性能得益于其更高的比表面积提供了更多的电荷存储空间,更高的导电性以及增大的笼壁微孔尺寸提升了电子和离子的传输速率。以上三种新型介观结构碳基纳米材料的制备过程简便、廉价,作为高性能EDLC电极材料展现出广阔的实用化前景。