为了保证航天器的各种仪表设备正常运行,需要航天电源系统支持。化学能源是航天电源系统的重要组成部分,其包括各种离子电池和燃料电池。针对复杂的空间环境,化学能源目前主要的研究重点之一是开发高容量、高稳定性电池电极材料。石墨烯作为一种二维层状材料,具有大的比表面积、高的导电性等特点在各种电化学储能器件方面有潜在的应用。本文以制备高性能电池电极材料为目标,以改性石墨烯为研究对象,设计开发了多种可控制备改性石墨烯的方法,最终实现高的电化学性能。为了缓解锂电池电极材料导电性差和在充放电过程中体积效应引起的容量衰减问题,本文首先开发了一种加热-淬火循环制备3D多孔石墨烯的方法,所得产物具有大的比表面积和高的导电性。利用所得3D多孔石墨烯与P25(Ti O2)复合用于锂离子电池阳极时,在室温下循环50圈后,所得容量为130 mAh g-1是相同条件下纯P25容量的5.2倍。进一步在0 oC低温和40 oC高温时循环50圈后,复合材料的容量分别为91.7和89.1 mAh g-1,明显优于纯P25的容量(分别为10和27.8 mAh g-1)。结合X射线近边吸收谱分析表明,所制备复合材料中,Ti O2与3D多孔石墨烯会形成Ti-O-C键,这些化学键的形成利于电池充放电过程中电子的传输,从而使得复合材料的锂电性能有较大的提升。进一步将3D多孔石墨烯与Fe2O3复合,结果显示,在所有温度范围内,复合材料的容量都明显优于纯Fe2O3的容量。以上结果说明3D多孔石墨烯对锂电池阳极材料的储锂性能有较大改进,所制备复合材料适合在0-40 oC区间内使用。所得3D多孔石墨烯可用于制备其它类型锂电池电极复合材料,在航天电源系统中有潜在应用。钠离子电池也是一种重要的电化学储能装置,为了保证其在空间环境中正常工作,开发高性能、高低温稳定的钠电池电极材料非常有必要。但由于Na+具有比Li+更大的离子半径,在充放电过程中所引起的体积效应更大而容易造成电池容量快速衰减。目前碳材料,尤其是石墨烯具有良好的导电性和机械性能可作为稳定的钠离子电池阳极材料。本文利用加热处理三聚氰胺纤维和氧化石墨烯所形成的微米反应单元法,制备了一种由卷曲状结构构筑的具有大孔结构、高比表面积的氮掺杂3D石墨烯。所制备氮掺杂3D石墨烯用于钠离子电池阳极材料时,在室温条件下循环50圈后具有265 mAh g-1的高容量。进一步,当在低温0 oC和高温40oC条件下循环50圈后,其分别具有196和184 m Ah g-1的高容量。结合所得产物的形貌和键合分析显示,所得氮掺杂3D石墨烯所具有的特殊3D结构和氮元素掺杂,可以提供更多的储钠位点并利于电极材料中的电子传输,并最终促进钠电池性能的提高。结果表明所制备氮掺杂3D石墨烯具有优异的储钠性能,其可以在0-40 oC温度范围内使用,为其进一步应用于空间环境提供了借鉴。目前,掺杂石墨烯用于燃料电池氧还原催化剂时存在催化活性位点不确定的问题。本文开发了一种通过只有C、N两种元素的层状化合物(g-C3N4)一步直接转化为氮掺杂石墨烯的方法。通过进一步在800-1000 oC条件下退火处理,可对氮掺杂石墨烯中氮元素种类和含量进行可控调节。所得氮掺杂石墨烯具有高的氧还原性能,其中900 oC退火条件下所得样品的氧还原性能最佳,结合XPS分析可知一定比例的石墨相氮和吡啶氮是氧还原反应的主要催化活性位点。在此基础上,开发了一种利用加热一系列不同摩尔比的二苄基硫醚与三聚氰胺混合物的方法,可控制备了不同掺杂量的硫-氮双掺杂石墨烯。研究了不同硫元素和氮元素含量下样品的氧还原性能,结果显示,900 oC时,前驱体比例为1:6条件下样品的氧还原性能最好。结合样品的结构和键合分析,结果表明在硫-氮双掺杂石墨烯中,吡啶氮和石墨相氮是主要的活性位点,而一定量的硫元素可以起到协同作用,进一步提高氮掺杂石墨烯的氧还原性能。本研究为解决氮掺杂石墨烯在燃料电池氧还原反应中,催化活性位点来源和双掺杂石墨烯中元素的协同效应问题提供了依据,以上结果为开发新型改性石墨烯用于高效料燃料电池阴极催化剂提供了借鉴。