随着人类社会的不断进步与快速发展,我们面临着巨大的能源挑战。可持续能源的发展越来越受到全社会的关注,开发绿色高效的能量储存与能源管理系统是新能源产业未来发展的基础和关键。作为一类先进的电化学储能器件,超级电容器因其功率密度大、充放电速率快、能量转换效率高、循环使用寿命长及安全环保等特点,在新能源领域中具有广阔而深远的应用潜力。但是,它们仍面临着一些应用瓶颈,特别是在需要提供高能量密度的领域,极大地限制了它的多样化应用。电极材料作为超级电容器的核心组成部件,很大程度上决定了超级电容器的种类与性能。碳材料是目前超级电容器中应用得最为广泛和成熟的电极材料,其中最有应用价值和潜力的是多孔碳和石墨烯。碳材料制备技术的发展一直是相关研究中的热点问题,也是其实际应用和重大突破的前提与关键。首先,在满足材料结构的合理设计与优化的同时,实现对其表面化学性质的有效调控是获得高性能碳基电极材料的前提。其次,平衡制备过程中产物质量与生产成本、规模化程度之间的关系,并且保证整个过程的绿色环保、安全高效也是非常必要的。本工作在充分认识和理解超级电容器的工作原理与性能的基础上,结合超级电容器电极材料的国际研究热点,在多孔碳和石墨烯的制备方法、结构和表面性质调控、储能应用等方面进行了系统和深入的研究。开发了“一步法”制备生物质石墨化多孔碳材料的新方法;制备了氮掺杂生物质石墨化分级多孔碳;提出了基于电化学剥离和放电等离子体烧结技术的高质量石墨烯的制备方法;探索了化学改性方法对石墨烯微结构及电容性能的影响。以上工作为碳基超级电容器的应用研究和未来发展做出了有益的探索和提供了一定的参考。本论文分为七章。第一章为绪论部分,本章首先介绍了该论文工作的选题意义及重要性。接着,介绍了超级电容器及其电极材料的分类与应用。随后,综述了多孔碳和石墨烯两类碳基电极材料制备技术的研究现状与进展。最后,介绍了本研究领域的研究背景、课题来源,以及本论文的主要工作内容和创新点。第二章给出了本论文各部分研究工作中用到的实验材料,具体的实验流程,主要的表征方法与实验设备,以及超级电容器的电极制备、组装和性能测试。第三章提出了“一步化”制备生物质石墨化多孔碳材料的新方法。采用高铁酸钾（K2Fe O4）作为活化剂和催化剂,同时完成生物质碳造孔和催化的一步化处理。区别于传统的模板法或多步法,该方法具有耗时少、快速高效、绿色环保等特点。“一步法”制备的生物质石墨化多孔碳保留了竹炭的本征结构,并形成了以微孔为主的多孔结构和大的比表面积,以及较高的石墨化程度。该材料作为超级电容器的电极材料,表现出了优异的储能特性。第四章介绍了氮掺杂生物质石墨化分级多孔碳的制备技术。以本征含氮的壳聚糖为碳源,利用冷冻干燥技术和高铁酸钾（K2Fe O4）作为造孔剂/催化剂,实现了氮掺杂生物质石墨化分级多孔碳材料的一步化制备。该方法相较于传统生物炭的制备方法更加简单高效、绿色可持续。最终产物兼具分级孔结构,高的石墨化程度和氮掺杂的特点。优化的石墨化分级孔结构和氮原子的修饰作用,使得它作为超级电容器的电极材料具有优异的电容性能和能量—功率输出特性。第五章提出了一种基于电化学剥离和放电等离子体烧结技术制备高质量石墨烯的方法。该方法先在硫酸溶液中对石墨烯进行电化学剥离,继以放电等离子体还原处理得到高质量石墨烯。高质量石墨烯产物具有极低的缺陷程度、较高的碳氧比和优异的导电性能。该方法简单快速、高效环保,而且还具有无排放、可循环的特点,因此有望满足石墨烯低成本、高质量的规模化工业生产要求。以高质量石墨烯制备的自支撑石墨烯膜能够表现出优异的电化学性能,拓展了未来石墨烯在新型储能器件中的应用。第六章通过不同化学改性方法制备了氧化石墨、氧化还原石墨烯和氮掺杂石墨烯,并对比了化学改性方法对石墨烯微结构及电容性能的影响。对比研究结果显示,虽然石墨烯具有优良和稳定的电化学特性,但是不同的微结构和表面化学性质对循环伏安特性、恒流充放电特性、交流阻抗特性等电化学性能有着较大的影响。本部分工作对石墨烯在超级电容器中的应用具有一定的参考价值。第七章是本论文的全文总结。最后,论文简要列举了本人在攻博期间发表论文、获批专利、参与科研项目与获奖的情况,及致谢与作者简历。