由于化石能源的日益枯竭以及环境的日趋恶化,发展新型可再生的能源已经迫在眉睫。在各类储能装置中,超级电容器由于其高功率密度,长循环寿命,快速充放电性能以及造价低廉等特点而受到广泛的关注。石墨烯具有良好的热稳定性,出色的机械性能,优异的导电性以及超大的理论比表面积,因此成为极具前景的超级电容器电极材料。但是,石墨烯在制备过程中极易发生不可逆的团聚,这会大大降低其实际比表面积并直接影响其超电容性能。目前的相关研究主要致力于制备改性的石墨烯基材料以解决上述问题。本论文利用不同方法制备了一系列的石墨烯基纳米材料,并对所制备的材料的形貌,结构及超电容性能进行了表征研究。主要研究内容如下:(1)通过氢气微爆冲击法成功制备了具有卷-片结构的石墨烯(SSG)纳米材料,并利用多种手段对其进行形貌及结构表征。结果表明:SSG纳米材料具有明显的管状结构,并且相比于还原的氧化石墨烯(rGO),SSG纳米材料具有更大的比表面积以及更多的离子传输通道。电化学测试结果表明,SSG纳米材料具有优异的超电容性能。在两电极体系中,SSG//SSG对称电容器在1 Ag-1的电流密度下,表现出57.6 Fg-1的比容值,相当于单根SSG电极表现出230.4 Fg-1的比容值。该SSG//SSG对称电容器同时还表现出出色的循环稳定性,在经过5000圈循环后,其容量仍可保持初始容量的96.8%。(2)通过类气体模板方法热解尿素与氧化石墨烯(GO)的混合物,成功制备出三维多孔掺氮石墨烯(PNG)纳米材料。通过调整热处理过程及尿素与GO的质量比,得到了比表面积大,氮掺杂量高的三维PNG材料。热解过程的第一阶段设定为300 ℃下3 h,该过程中尿素与GO受热分解,可以缓慢释放出大量的气体(如NH3,HCNO和H20)。释放的气体作为造孔剂,对GO纳米片进行撕裂和撞击,使GO片层形成三维多孔的结构。第二阶段的热解过程设定为800 ℃下2 h,该过程实现了氮掺杂过程。测试结果表明,当尿素与GO的质量比为10:1时,该三维多孔掺氮石墨烯(PNG-10)纳米材料具有最佳氮含量(6.9at%)和超高表面积(490.2 m2g-1)。电化学测试结果表明,PNG-10在1 A g-1的电流密度下,具有337.0 F g-1的比容值并且在5000循环后,其容量损失仅为2.4%。此外,在双电极体系中,PNG-10//PNG-10对称电容器具有1.3 V的宽工作电压,因此显示出较高的能量密度(19.9 W h kg-1)和功率密度(650 W kg-1)。(3)利用自组装法成功制备出掺氮的剖开碳纳米管-石墨烯(NUCNT-rGO)复合材料并对其进行形貌,结构及超电容性能表征与研究。结果表明,经过氧化处理,碳纳米管被成功截断且剖开,形成了类石墨烯纳米带结构。经过水热处理后,氮被成功掺杂进剖开碳纳米管的骨架中且该碳纳米管的含氮量为7.5 at%。将其与石墨烯复合得到的NUCNT-rGO复合材料表现出更多的结构缺陷,更大的层间距以及更优异的超电容性能。在三电极体系中,1 A g-1电流密度下NUCNT-rGO表现出296.0 F g-1的比容值。将其组装成NUCNT-rGO//NUCNT-rGO对称电容器并进行电化学测试,结果表明该对称电容器的比容值在1 A g-1电流密度下可达到65.5 F g-1。经过5000圈循环后,其容量保留率达到92.7%,说明材料具有良好的长期循环稳定性。(4)通过自组装的方法制备了分层多孔的碳球-石墨烯(CSG)复合材料,并对其超电容性能进行研究。碳球因其具有亚微米的尺寸而被选择作为石墨烯片层间的隔片材料。结果表明,石墨烯片层被碳球有效地隔开而减少了团聚,因此复合材料具有更大的比表面积及更多的可供离子进入的孔隙。这一特殊的分层结构有利于离子的渗透及迁移,尤其是对于离子体积较大的离子液体系统。CSG复合材料的电化学测试结果表明复合材料具有优异的超电容性能。在双电极体系中,CSG电极分别在KOH和[BMIM]BF4中表现出303.8和280.0 F g-1的比容值。并且CSG//CSG对称电容器在[BMIM]BF4中表现出87.5 W h kg-1的超高能量密度。经过5000次的循环后,CSG电极的比容值在KOH及[BMIM]BF4电解液中分别保留了 95.3%和90.1%,表现出良好的长期循环稳定性。(5)通过改良的Hummes法成功制备出剖开的碳纳米管(UCNT);然后通过水热碳化法制备出具有均匀形貌和尺寸的碳球(CS);再利用自组装法将UCNT和CS与rGO进行复合,得到三维结构的UCNT-CS-rGO复合材料。测试结果表明,UCNT与CS插层在rGO片层之间,使复合材料的结构缺陷增多且层间距增大。这种结构同时也有利于离子的迁移与传输,尤其对于离子尺寸较大的离子液体。因此,该复合材料在KOH电解液及[BMIM]BF4离子液体电解液中均表现出优异的超电容性能。两电极体系中,UCNT-CS-rGO//UCNT-CS-rGO对称电容器分别在KOH和[BMIM]BF4电解液中表现出74.8 F g-1及71.7 F g-1的比容值。而且,由于[BMIM]BF4电解液具有3V的宽工作电压,因此,对称电容器表现出高达89.6 W h kg-1的能量密度。经过5000次循环后,该对称电容器在KOH和[BMIM]BF4电解液中的容量保持率分别达到94.8%和90.2%,表现出优异的长期循环稳定性。(6)通过原位生长法制备出绒球状MnO2与氧化石墨烯水凝胶的复合材料,然后利用水热法成功将其还原,制备出一系列具有不同质量比的三维的绒球状MnO2/石墨烯水凝胶(Mn02/GH)复合材料。对制备出的材料进行形貌,结构及电化学性能表征,研究不同Mn02含量对复合材料超电容性能的影响。结果表明,石墨烯水凝胶(GH)具有相互交联的多孔网络结构,而大量的绒球状MnO2成功嵌入在这些孔隙之中。电化学测试结果表明:在0.5 A g-1的电流密度下,MnO2含量为50 wt%的MnO2/GH复合材料的比容值可达445.7 F g-1;经过5000圈循环之后,其比容量为初始容量的82.4%。这些优异的性能得益于MnO2/GH复合材料的特殊结构,该三维结构既有利于维持MnO2性质的稳定,也使得离子扩散和电子传输更为迅速。