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碳材料具有优良的导电性和稳定性、价格低廉、环境友好的特点，是一类重要的电极材料，广泛应用于燃料电池、超级电容器和锂离子电池等电化学能源器件。碳材料的分子与晶体结构对其性能起着决定性的作用，也影响着它们在电极中的应用。碳纳米管和石墨烯分别是典型的一维和二维碳纳米材料，与其他结构的碳材料相比，二者具有更为优异的导电性和稳定性，其电子结构和化学性能可通过氮、硼等原子掺杂进行调控，因而被认为是理想的电极材料。碳纳米管和石墨烯作为无序的粉体材料应用时，由于互相堆叠会导致比表面积的大幅度减小，如石墨烯的比表面积会减少80％以上，这势必削弱它们作为电极材料的性能。为了保障碳纳米管和石墨烯的单体纳米结构特点，本论文开展了碳纳米管/石墨烯三维结构的研究，以石墨烯的二维平面作为载体生长碳纳米管，发挥二者的协同作用，从而促进其在燃料电池催化剂和超级电容器等方面的应用，取得主要进展如下：1．以鳞片石墨为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨（GO），利用GO表面和边缘大量的含氧官能团吸附二价Ni离子，再用水合肼还原后形成还原氧化石墨（rGO）负载Ni催化剂，并以此为基底，以吡啶为氮源，通过化学气相沉积（CVD）法，成功制备了含氮量为6.6at%的氮掺杂碳纳米管/石墨烯（NCNTs/G）三维复合材料。在碱性条件下，NCNTs/G表现出比未掺杂碳纳米管/石墨烯（CNTs/G）更好的电催化氧还原性能，且前者的催化氧还原反应中电子转移数约为3.5，表明NCNTs/G在燃料电池中具有应用前景，并为我们设计制备三维结构无金属催化剂提供了重要的参考依据。2．我们提出了一种在泡沫镍基底上合成3D MnO2/CNTs/G/NF复合材料的简单方法，该方法首先以泡沫镍（NF）作为基底，无水乙醇作为碳源，通过两步CVD过程制备CNTs/G/NF三维复合材料，再采用水热法，在CNTs的表面包覆一层MnO2，构建MnO2/CNTs/G/NF三维复合材料。该复合材料集CNTs的高导电性和MnO2大的赝电容于一体，且MnO2/CNTs同轴复合物可通过石墨烯与泡沫镍充分接触，而泡沫镍可以直接用于超级电容器电极，这避免了电极材料的转移和后处理，是超级电容器理想的电极材料。