钾离子电池因低成本等优势被视为大规模储能领域中锂离子电池的补充技术,近年来受到研究者的密切关注。石墨烯基材料因高比表面积和高电导率等优点而被视为钾离子电池负极材料的优异候选者。但石墨烯片层间存在的范德华力会引起石墨烯发生不可逆的团聚堆叠,从而造成低的可逆比容量和差的循环稳定性。三维结构石墨烯基材料理论上不仅能够抑制石墨烯片层的团聚堆叠,而且能够促进电解液的浸润和离子/电子传递,增加电化学反应活性位点。尽管如此,三维结构石墨烯基材料的构筑依然受限于组装过程的不可控和复杂性,导致得到的三维结构石墨烯基材料难以满足实际应用需求。针对上述问题,本文提出了化学发泡法结合化学气相沉积法（CVD）以实现三维结构石墨烯基材料的可控制备,并结合实验和理论计算研究了材料的电化学储钾性能和机理。具体研究内容包括:（1）以九水硝酸铁（Fe（NO3）3·9H2O）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP,K30）为原料,通过调控化学发泡法过程参数（原料配比、热处理温度、升温速率等）,实现了二维石墨烯的三维可控组装,得到了蜂窝状Fe3C@C核壳结构纳米颗粒修饰氮掺杂三维石墨烯复合材料。Fe3C纳米颗粒的催化石墨化效应对于三维石墨烯的形成具有重要作用。将材料作为钾离子电池负极时,在1000 mA g-1电流密度下的可逆容量达到195 mAh g-1,且循环10000圈后比容量仍保持为155 mAhg-1。该负极材料表现出的较高比容量归功于三维石墨烯的高比表面积及Fe3C纳米颗粒催化SEI的可逆形成;优异的倍率性能与氮掺杂三维石墨烯具有的三维导电网络及赝电容行为相关;突出的循环寿命源于三维石墨烯优异的结构稳定性。（2）以Fe3C@C核壳结构纳米颗粒修饰氮掺杂三维石墨烯为前驱体,升华硫为硫源,通过CVD制备了 FeS2@C核壳结构纳米颗粒修饰硫氮共掺杂三维石墨烯复合负极材料。实验研究表明,三维石墨烯基体能够很好地限域FeS2纳米颗粒并缓冲其在充放电过程中的体积膨胀。此外,采用1 M KFSIin DME为电解液并提高放电截止电压时,负极材料表现出显著改善的循环稳定性。实验和理论研究表明首次充放电后FeS2转变为导体相KxFeS2,促进了电子在纳米颗粒体相中的传导,有利于高倍率性能。因此,半电池在1000 mA g-1电流密度下表现出高达269 mAh g-1的可逆比容量;在2000 mA g-1电流密度下循环1000圈后比容量保持175 mAh g-1。（3）调控化学发泡工艺参数制备出Fe3C纳米颗粒修饰氮掺杂三维石墨烯前驱体,其中Fe3C纳米颗粒作为催化剂,以乙炔为碳纳米管的生长碳源,升华硫为硫源,通过两步CVD制备出共价连接的三维石墨烯/碳纳米管限域纳米Fe7S8复合负极材料,揭示了 Fe3C纳米颗粒在材料合成过程中对三维石墨烯和碳纳米管的双功能催化作用。得益于三维石墨烯/碳纳米管框架结构的分级限域作用及高导电性的三维网络,Fe7S8高度可逆的钾离子脱出/嵌入及部分转换反应机制,组装的半电池在1000 mA g-1电流密度下表现出高达277 mAhg-1的可逆比容量,在2000mA g-1电流密度下循环1300圈后比容量保持167 mAhg-1;与普鲁士蓝类似物正极匹配时,全电池在50 mA g-1电流密度下表现出120 Whkg-1的能量密度（基于活性材料总质量）,循环65圈后比容量几乎无衰减。