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近年来,碳材料成为储能、电催化、太阳能电池和场发射器件研究热点,特别是在超级电容器和场发射器件中应用研究越来越广泛。三维有序碳基复合材料组成的厚电极是高体积能量密度碳基超级电容器和大电流密度碳基场发射器件必备条件。本文利用半导体工艺、光辅助电化学刻蚀和无电镀镍工艺制备了 3D多孔有序宏孔导电网络(MECN),合成了碳基复合材料/宏孔导电网络厚电极,开展了其在超级电容器及其场发射器件方面的研究工作。首先,本文采用半导体工艺,光辅助电化学刻蚀技术和液流无电镀镍技术制备了 MECN,由镍颗粒构成的5×5×250 μm通道阵列结构,壁厚1 μm,具有结构规整、有序、高深宽比和大比表面积的特点。后续以MECN作为3D框架基底制备了碳基复合材料。通过水热合成方法在MECN表面和孔壁沉积了碳微球,构成了 3D有序多孔碳微球厚电极,接下来,利用C与KMnO4反应制备了MnO2/C/MECN电极,在1 A/g时比容量达497 F/g。组装的MnO2/C/MECN||AC/Ni-foam混合超级电容器(锂离子超级电容器)在功率密度为4000 W/kg时能量密度达到0.50 mW h/cm3(55.5 Wh/kg),三个电容串联能够点亮一个1W蓝光LED(阈值电压3.5 V),并能持续100 min。结果表明该3D多孔厚电极作为超级电容器电极具有较好的应用前景。其次,抑制石墨烯材料团聚能够提高石墨烯基器件的稳定性。本文采用溶剂热渗碳和热退火方法在MECN表面和孔壁形成了多层纳米石墨烯,形成石墨烯微通道板(MLG-MCPs)。利用XRD、Raman、TEM和电化学测试进行表征。结果表明MLG横向尺寸50-100 nm,呈涟漪和褶皱形状,具有较高的结晶度,电化学特性稳定。再次,提高碳基复合材料超级电容器体积能量密度至关重要。本文利用已制备的MLG-MCP,通过碳辅助反应(C与KMnO4反应)和氧化还原(MnSO4与KMnO4反应)先后制。备了 δ-Mn02和α-MnO2,构成了同质MnO2/nanographene/MECN电极。其特点是较薄δ-Mn02增强粘附性,而厚的α-MnO2提高活性物质负载量。电化学测试表明优化后的电极的比容量达到4.5 F/cm2,循环20000圈,容量保留率83%。组装的同质MnO2/nanographene/MECN||AC/Ni-foam混合超级电容器(锂离子超级电容器),在功率密度为1000W/kg时能量密度达到1.0mWh/cm3(40.3Wh/kg),四个串联电容能够驱动45个红光LED,持续10 min。这种同质MnO2/nanographene膜覆盖MECN 3D有序多孔厚电极中的活性物质负载量可控,能够提高超容体积能量密度和循环稳定性。然后,场发射器件的稳定性和电流密度至关重要。本文对MLG-MCPs的电学特性进行了研究,以MLG-MCPs为基底,探索了退火温度和氮掺杂对其电子场发射性能的影响。通过SEM、XPS、XRD等表征手段对其进行了标定,测试了这些样品的场发射性能。结果显示较高的退火温度下开启电场降至2.0V/m;适当的NH3等离子体处理时间(15min)后开启电场低至0.5V/μm。通过测试发现高温退火能够增加缺陷密度,降低功函数;N掺杂能够提高石墨烯的表面电子态密度,缺陷密度和尖锐边缘,使得费米能级水平提升,降低了表面功函数,提高场发射特性。最后,为了与基于MECN碳基复合材料电极电化学特性对比,探索了空心结构MoS2纳米材料作为电极对超级电容器性能的影响。本文以CTAB作为表面活性剂,采用水热合成工艺制备了三种形貌MoS2(空心纳米,花状和纳米片),并研究了其电化学特性。结果表明空心MoS2/Ni-foam电极在超级电容器领域应用较好,这与基于MECN碳基复合材料电化学特性结果一致。