石墨烯作为一种典型的二维纳米材料,因其高比表面积、优异电导率和热导率、突出力学性能和化学稳定性等,在能源存储领域具有广阔的应用前景。以氧化石墨烯(GO)为前驱体材料,通过化学还原来制备石墨烯是一种有较大发展潜力的技术路线,可以实现石墨烯的宏量制备。然而,这种方法得到的石墨烯片层容易发生团聚,影响了石墨烯性能的充分发挥,限制了其更为广泛的应用。本论文以GO为前驱体制备了三维的石墨烯材料,预先形成三维石墨烯传导网络,保证了石墨烯优异传导性能的充分发挥。主要创新性研究结果如下:1、泡沫镍还原氧化石墨烯用作超级电容器电极材料:针对目前三维石墨烯构筑过程中需要大量还原剂和能源消耗的问题,我们提出了一种简便方法制备可直接用作超级电容器电极材料的三维还原氧化石墨烯/泡沫镍(RGO/Nifoam)复合材料。在pH=2的室温条件下,直接利用泡沫镍对GO进行还原,无需添加其它化学还原剂。得到的RGO在泡沫镍骨架上组装,制得RGO/Nifoam复合材料,直接用作超级电容器电极材料,无需添加高分子粘结剂,表现出优异的电化学性能。通过调节还原时间可调控RGO/Ni foam中的RGO含量,达到调控复合电极材料的单位面积比电容的目的。当还原时间从3天提高到15天,在0.5 mA·Cm-2的电流密度下,其面积比电容从26 mF·Cm-2增加到了 136.8 mF·Cm-2。此外,温度是影响还原速率的重要因素。当提高还原温度至70℃时,反应5小时后得到的5-hour RGO/Ni foam复合材料比室温下反应15天得到的15-day RGO/Ni foam复合材料呈现出更为优异的电化学性能。5-hour RGO/Ni foam复合材料的面积比电容高达206.7 mF·cm-2,并且兼具优异的倍率性能和循环稳定性,充放电循环10000次,容量保留率高达97.4%。在70℃延长反应时间至9小时,得到的9-hour RGO/Ni foam复合材料表现出了更高的面积比电容,达到323 mF·Cm-2,并且仍然兼具突出的倍率性能和优异的循环稳定性。2、多级孔道结构的石墨烯/胞沫镍复合材料用作电极材料:成功制备一个兼具高导电、含大量含氧官能团、以及多孔道结构的三维石墨烯复合材料,并用作高性能超级电容器电极材料。连续高效的三维网络结构为复合材料提供了优异的倍率性能,而三维网络中丰富的含氧官能团则为复合材料提供较高的赝电容。通过将GO/Ni foam复合材料暴露在打火机外焰下,几秒钟内就可得到具有多级孔道结构的RGO/Ni foam复合材料。这是因为泡沫镍中的GO瞬间受热释放出大量的气体导致片层间膨胀与剥离。当用作电化学储能电极时,这种多级孔道可以为离子扩散和电子传输提供快速的通道,而石墨烯片层表面残留的大量含氧官能团可提供大的赝电容。直接用作超级电容器电极时,RGO/Ni foam复合材料在0.5和30 A·g-1的电流密度下,其比电容分别高达407.2和285.5 F·g-1。当组装成两电极的超级电容器体系时,其稳定电压窗口高达1.8 V,可以得到比较可观的能量密度和功率密度。当用作锂离子电池的负极材料时,在100 mA·g-1的电流密度下,RGO/Ni foam复合材料的首圈可逆放电和充电容量分别高达 2194 和 1372 mA·h·g-1。3、室温干燥的石墨烯复合气凝胶用作高导热相变储能复合材料:为了构筑连续的传导网络和三维骨架,解决相变储能材料热导率低和尺寸稳定性差的问题,我们制备了可以室温干燥的三维石墨烯凝胶。GO和高品质石墨烯(GNPs)在水中进行自组装,随后在空气中室温干燥,即获得高导热和高压缩性能的高密度石墨烯(RGO/GNP)复合气凝胶。RGO片层搭接成一个三维骨架,而GNPs作为增强相可以避免室温干燥过程中RGO/GNP水凝胶的体积过度收缩。利用真空浸渍方法将常用的相变储能材料十八醇填充到多孔的RGO/GNP复合气凝胶中,制得具有优异导热性能的十八醇/RGO/GNP(ORG)复合材料。在12 wt%石墨烯添加量下,ORG复合材料热导率高达～5.92 W·m-1·K-1,相比于纯的十八醇提高了 26倍,其相变焓也高达～202.8 J·g-1。即使在～70 ℃施加1 kg载荷,ORG复合材料仍然能保持良好尺寸稳定性,且未见明显的十八醇熔体漏流。4、高品质的石墨烯气凝胶用于相变储能复合材料:以GO为原料制备的三维石墨烯因其片层上含有残留的含氧官能团和缺陷,严重影响了三维网络的传导性,且这种三维石墨烯材料的尺寸及形状高度依赖于反应器的尺寸和形状。我们以GO为前躯体,通过低温浓缩GO水分散液获得具有优秀加工性能的GO组装物;通过冷冻干燥获得形状固定的GO气凝胶;对上述GO气凝胶进行高温石墨化处理,以去除石墨烯片上残留的含氧官能团并修复缺陷,最终制得兼具高效导热网络和质轻特点的高品质石墨烯气凝胶(HGA)。通过简单地真空浸渍,即可将熔融的十八醇填充到HGAs的三维网络中得到十八醇/HGA (OHGA)相变储能复合材料,在较低石墨烯含量下获得高热导率。在石墨烯填充量仅仅为～5.0 wt%时,OHGA复合材料的热导率高达～4.28 W·m-1·K-1,比纯的十八醇提高了 18倍多;其相变熔融焓也高达225.3 J·g-1。