石墨烯是二维原子晶体材料,具有碳原子sp2杂化所形成的共轭π键结构,是碳材料家族结构组成的基本单位。出色的电学、力学和热学等性能使石墨烯在能源存储与环境保护方面具有较大的应用前景。本论文利用经济易得的聚合物为模板制备三维石墨烯复合材料并探究其在超级电容器电极材料和水处理材料方面的应用。在电极材料研究中,以炭化三聚氰胺海绵得到的掺氮碳泡沫为模板,利用火焰法还原得到三维石墨烯材料。三维碳泡沫以及还原氧化石墨烯的存在,可以增加体系的导电性促进电子的快速传递。得到的样品无需粘结剂以及涂覆过程可直接作为电极,具有优异的电化学性能;在水处理方向,以商品化聚氨酯海绵为模板制备三维石墨烯,考虑到二氧化锰良好的吸附以及催化性能,将其与三维石墨烯复合,以块状形式应用于水处理中,相较于粉末形式的水处理材料具有易回收分离的优势。具体研究内容如下:(1)首先将三聚氰胺海绵炭化后得到碳泡沫,再通过真空浸渍将氧化石墨烯负载在碳泡沫上。然后利用火焰法原位还原得到三维石墨烯复合材料,将其直接作为电极材料,整个过程绿色、经济,可操作性较强。在三电极体系中,以6 M氢氧化钾为电解液,制备的电极材料在电流密度为2mA·cm-2时,面电容达到500mF·cm-2,质量比电容约为250F·g-1,经过10000圈充放电循环后,比电容保持率可达到91%,具有良好的电容特性。(2)以商品化的聚氨酯海绵为模板,抗坏血酸为还原剂,得到三维石墨烯,然后依据碳与高锰酸钾之间的氧化还原反应得到二氧化锰三维固体水处理复合材料。为了促进块状吸附剂与染料溶液之间的充分接触,引入微型水泵装置,使其形成动态水处理模式,充分发挥三维材料多孔结构的优势。以亚甲基蓝为模型污染物,在动态吸附模式下,50分钟时吸附效率可以达到94%。同时,在H202的辅助下,三维复合材料可进行重复利用,并且循环利用四次后,去除效率较为稳定,说明其在水处理方面具有较大应用前景。